蔣鐵珍 廖同慶

(安徽大學(xué) 安徽合肥 230601)

“微波技術(shù)與天線”課程，從狹義上講主要是研究微波的傳輸方面的問(wèn)題，包括一些常用的微波傳輸線和微波無(wú)源元件［1］［2］。這些內(nèi)容一般作為電子信息工程、通信工程、電磁場(chǎng)與無(wú)線技術(shù)等專業(yè)的本科階段微波技術(shù)課程所要講述的內(nèi)容，是研究其他微波技術(shù)問(wèn)題的基礎(chǔ)?！拔⒉夹g(shù)與天線”課程既是專業(yè)基礎(chǔ)課，又是應(yīng)用課，一般是大三下學(xué)期或大四上學(xué)期開設(shè)。從研究方法和理論來(lái)說(shuō)，電子信息工程學(xué)院專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課可分為三方面:場(chǎng)、路和系統(tǒng)?！拔⒉夹g(shù)和天線”課程是對(duì)場(chǎng)、路和系統(tǒng)的補(bǔ)充，這門課程的理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)，并且由于該課程的實(shí)際應(yīng)用很廣，使得該課程的內(nèi)容多、難度大，很多問(wèn)題看似簡(jiǎn)單，實(shí)則復(fù)雜。該課程教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)是基本概念抽象、分析方法多樣以及公式復(fù)雜等。單純進(jìn)行課堂教學(xué)，學(xué)生在課程結(jié)束后，依然不清楚為什么學(xué)習(xí)這門課，學(xué)習(xí)這門課究竟有什么用。因此，本文主要根據(jù)該課程的廣泛工程應(yīng)用實(shí)例，結(jié)合微波技術(shù)與天線課程的特點(diǎn)，探討如何較好地將工程實(shí)例應(yīng)用到該課程的課堂教學(xué)，加深學(xué)生的理解，從而提高學(xué)生的興趣，發(fā)揮學(xué)生的積極性和能動(dòng)性，達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。

一、在緒論教學(xué)中與工程的結(jié)合

學(xué)生一般在每門課程的開始都充滿了好奇和興趣，教師精彩的“緒論”課能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望;反之，學(xué)生會(huì)對(duì)這門課失去興趣，甚至?xí)a(chǎn)生厭學(xué)情緒。因此，“緒論”課顯得尤為重要。在微波技術(shù)與天線緒論中，除了向?qū)W生介紹“什么是微波技術(shù)”以及學(xué)習(xí)方法外，應(yīng)重點(diǎn)列舉一些學(xué)生熟知的例子說(shuō)明微波技術(shù)與天線的應(yīng)用。隨著近年科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，射頻、微波、天線技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)無(wú)處不在，滲透到電子、通信的各個(gè)領(lǐng)域。通過(guò)在緒論中引入這些微波技術(shù)應(yīng)用典型實(shí)例，可以使學(xué)生對(duì)“微波技術(shù)與天線”課程將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容有一個(gè)大概的了解，也可以在一定程度上明白為什么必須學(xué)習(xí)這門課程，即體會(huì)到該課程的必要性和重要性?！拔⒉夹g(shù)與天線”課程主要學(xué)習(xí)的傳輸線和天線是典型的微波器件，在雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)中都需要用到［2］［3］。學(xué)生對(duì)通信和雷達(dá)應(yīng)該都比較感興趣，下面給出雷達(dá)或通信的應(yīng)用實(shí)例，加深學(xué)生的理解。圖1是雷達(dá)主要組成部分示意圖。

圖1 雷達(dá)主要組成部分

雷達(dá)主要應(yīng)用在軍事方面，比如說(shuō)預(yù)警機(jī)、神舟發(fā)射的測(cè)控等，如圖2所示。學(xué)生可能在平時(shí)的新聞中都有接觸，通過(guò)這樣的介紹，讓學(xué)生了解傳輸線主要用在雷達(dá)的哪些方面、天線又是如何發(fā)揮作用，從而使學(xué)生對(duì)“微波技術(shù)與天線”課程學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容有最直觀的理解，并了解應(yīng)用大概在何處。而通信系統(tǒng)在我們平常生活中的典型應(yīng)用實(shí)例就是手機(jī)，雷達(dá)與通信系統(tǒng)在使用頻率等方面存在差異，但理論基礎(chǔ)是一致的，都涉及到電路與系統(tǒng)、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)、信號(hào)與信息處理、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等學(xué)科。電子系統(tǒng)大部分相似，都包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)，信號(hào)處理機(jī)等。

圖2 雷達(dá)某種應(yīng)用

二、在傳輸線教學(xué)中與工程的結(jié)合

“微波技術(shù)與天線”教材中關(guān)于傳輸線有大量的內(nèi)容，從傳輸線基本理論、波導(dǎo)到微波網(wǎng)絡(luò)，基本上都是與傳輸線有關(guān)。在教學(xué)過(guò)程中，如果僅僅教授教材的內(nèi)容，那將是大量的公式推導(dǎo)，學(xué)生很難理解其真正的意義。教學(xué)過(guò)程中，可以先列舉傳輸線的實(shí)際應(yīng)用，再利用微波EDA軟件設(shè)計(jì)某種傳輸線，計(jì)算傳輸線教學(xué)內(nèi)容涉及的各種參數(shù)，并與實(shí)際計(jì)算比較，讓學(xué)生具體了解每個(gè)學(xué)習(xí)內(nèi)容的物理意義，條件許可的話可以讓學(xué)生結(jié)合學(xué)習(xí)內(nèi)容具體參與到設(shè)計(jì)中，當(dāng)然從最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)開始。

微波射頻領(lǐng)域主要的EDA工具首推Agilent公司的ADS(Advanced Design System)軟件和Ansoft公司的HFSS、Designer軟件以及CST，其次是比較小型的如 Microwave Office，Ansoft Serenade，Zeland，XFDTD，Sonnet，F(xiàn)EKO 等電路設(shè)計(jì)軟件。Agilent公司的ADS軟件是在HP EESOF系列EDA軟件基礎(chǔ)上發(fā)展完善起來(lái)的大型綜合設(shè)計(jì)軟件，該軟件范圍涵蓋了小至元器件，大到系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)和分析。本文主要列舉利用ADS軟件進(jìn)行波導(dǎo)傳輸線設(shè)計(jì)參數(shù)仿真，并如何與教學(xué)工作相結(jié)合。

圖3 ADS界面

圖3是ADS軟件初始化界面及電路圖，通過(guò)ADS軟件可以實(shí)現(xiàn)各種微波射頻電路的仿真，與本課程相關(guān)的如Smith圓圖、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等，利用該軟件激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的電路，達(dá)到學(xué)習(xí)的目的［2］［4］。圖4是微波網(wǎng)絡(luò)中的S參數(shù)仿真。

圖4 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)仿真

三、在天線章節(jié)教學(xué)中與工程的結(jié)合

通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)都需要天線，現(xiàn)實(shí)生活中涉及到無(wú)線電傳播信息的基本上都需要用到天線，在這里可以以手機(jī)通信、調(diào)頻廣播或雷達(dá)這些經(jīng)常接觸或聽說(shuō)的應(yīng)用作為實(shí)例［1］［5］。圖5給出了手機(jī)基站和雷達(dá)的天線示意圖。

圖5 天線示意圖

天線的主要功能如下:

第一，天線是能量轉(zhuǎn)換器。作為發(fā)射天線，它將發(fā)射機(jī)內(nèi)的電磁波的能量轉(zhuǎn)換成自由空間的電磁波的能量;反之，作為接收天線，它將自由空間的電磁波的能量轉(zhuǎn)換到接收機(jī)內(nèi)去。

第二，天線是定向輻射(接收)器。天線具有方向性，即發(fā)射天線在不同的方向上所輻射的能流密度不同;而對(duì)于不同方向上傳來(lái)的等強(qiáng)度的電磁波，接收天線所接收的能量亦不相同，即在某個(gè)方向上輻射(或接收)最強(qiáng)，而在其他方向上則輻射(或接收)較弱甚至很弱。例如，雷達(dá)天線必須在目標(biāo)方向輻射(或接收)最強(qiáng)，而通信基站或普通廣播天線則須在所有方向輻射一樣，以便周圍聽眾都能接收到。

以某種雷達(dá)系統(tǒng)為例，雷達(dá)主要組成部分如圖1所示。圖1中概括性給出了雷達(dá)的結(jié)構(gòu)，發(fā)射機(jī)包含功放、濾波器等，接收機(jī)包含混頻、放大、濾波及信號(hào)處理等，本課程主要關(guān)注“發(fā)射機(jī)—天線—目標(biāo)—天線—接收機(jī)”的傳輸關(guān)系，上節(jié)中介紹的各種傳輸線用于天線與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的連接，稱之為天線饋線系統(tǒng)。在線部分，天線的各種參數(shù)是本章節(jié)的重點(diǎn)內(nèi)容，比如說(shuō)天線的方向圖、效率、增益、頻帶寬度等，這些內(nèi)容的講解必須要結(jié)合實(shí)例，才能讓學(xué)生有個(gè)直觀的理解。以天線的方向圖為例，在雷達(dá)系統(tǒng)中，無(wú)論是發(fā)射天線將電磁波輻射出去還是接收目標(biāo)反射回來(lái)的電磁波，都與天線方向圖密不可分，它的設(shè)計(jì)好壞直接影響雷達(dá)的工作性能。雷達(dá)天線如果在較寬的方向范圍內(nèi)輻射能量強(qiáng)，即雷達(dá)天線方向圖波束較寬，雷達(dá)難以分辨目標(biāo)，影響雷達(dá)的多目標(biāo)檢測(cè)。在具體的課堂教學(xué)中可以結(jié)合上節(jié)中介紹的軟件進(jìn)行天線各種參數(shù)仿真說(shuō)明。

四、該課程教學(xué)與工程結(jié)合的實(shí)際效果

根據(jù)學(xué)生反映，無(wú)論是“電磁場(chǎng)工程”還是“微波技術(shù)與天線”課程，概念晦澀難懂，非常難學(xué)。因此，筆者在講授該課程之前，首先給學(xué)生開設(shè)了兩次學(xué)術(shù)講座，分別是與該課程應(yīng)用相關(guān)的雷達(dá)和通信的基本介紹。目的在于讓學(xué)生先對(duì)該課程的兩大重點(diǎn)應(yīng)用有個(gè)比較詳細(xì)的了解，通過(guò)兩次講座后，學(xué)生對(duì)具體的應(yīng)用非常感興趣，提出了大量的問(wèn)題。如雷達(dá)講座后，某學(xué)生針對(duì)介紹的穿墻雷達(dá)提出，為什么雷達(dá)能夠穿過(guò)墻卻穿不過(guò)人呢?？梢钥闯觯@樣就調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，引導(dǎo)學(xué)生去思考具體問(wèn)題。在后期的“微波技術(shù)與天線”各內(nèi)容的講授中，與雷達(dá)或通信應(yīng)用密切結(jié)合后，由于學(xué)生已經(jīng)對(duì)雷達(dá)有了了解，結(jié)合具體應(yīng)用實(shí)例后，學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容更容易了解，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，更有意思的是激發(fā)了很多學(xué)生的軍事興趣。

課堂教學(xué)與生活或應(yīng)用相貼近，與工程經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，豐富了課堂內(nèi)容，充分調(diào)動(dòng)了教師的積極性和學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)也為學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展提供了新的學(xué)習(xí)環(huán)境。本文詳細(xì)論述了微波技術(shù)與天線課堂教學(xué)幾個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容如何與工程相結(jié)合，便于學(xué)生理解，將晦澀難懂的知識(shí)形象化、簡(jiǎn)單化，使理論知識(shí)具有了物理意義，說(shuō)明課堂教學(xué)和工程結(jié)合在“微波技術(shù)與天線”課程教學(xué)中能收到不錯(cuò)的效果。

［1］王新穩(wěn)，李延平，李 萍.微波技術(shù)與天線(第三版)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

［2］全邵輝.微波技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2011.

［3］丁鷺飛.雷達(dá)原理［M］.西安:西北電訊工程學(xué)院出版社，1984.

［4］陳艷華，李朝輝，夏 瑋.ADS應(yīng)用詳解——射頻電路設(shè)計(jì)與仿真［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［5］【美】克勞斯.天線［M］.章文勛譯.北京:電子工業(yè)出版社，2011.