高山山

(成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610106)

運(yùn)用ADS輔助電磁場(chǎng)與微波技術(shù)教學(xué)研究

高山山

(成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610106)

電磁場(chǎng)與微波技術(shù)是電子信息學(xué)科及相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課之一。針對(duì)該課程中微波網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)理論知識(shí)，以基于微帶線結(jié)構(gòu)的兩端口微帶雙模帶通濾波器為例，引入電磁仿真軟件ADS對(duì)該濾波器進(jìn)行相關(guān)的仿真設(shè)計(jì)及研究，幫助學(xué)生更加清楚地理解微波網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)理論知識(shí)，將微波網(wǎng)絡(luò)理論與工程實(shí)際相結(jié)合，以達(dá)到更好的教學(xué)效果，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

電磁場(chǎng)；微波技術(shù)；ADS仿真軟件；仿真；微波網(wǎng)絡(luò)

電磁場(chǎng)與微波技術(shù)課程是高等院校電子信息學(xué)科及相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，其中，矢量分析、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、時(shí)變電磁場(chǎng)、電磁波、傳輸線、微波網(wǎng)絡(luò)、微波元件等教學(xué)內(nèi)容都是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1-6]。本課程的教學(xué)中，教師必須在有限的課堂教學(xué)時(shí)間中，利用數(shù)學(xué)分析方法講解基礎(chǔ)知識(shí)，通過(guò)學(xué)生課余時(shí)間的強(qiáng)化學(xué)習(xí)，讓學(xué)生掌握本課程的重點(diǎn)內(nèi)容，為學(xué)習(xí)好移動(dòng)通信等后續(xù)專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)。

由于電磁場(chǎng)與微波技術(shù)具有理論性強(qiáng)、概念較抽象等特點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)中，不僅需要豐富的大學(xué)物理和高等數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)儲(chǔ)備，掌握數(shù)學(xué)物理方法，還需要具備較強(qiáng)的邏輯思維能力，這導(dǎo)致學(xué)生普遍反映該課程學(xué)習(xí)難度大，課堂學(xué)習(xí)效果不好。如何有效提高教學(xué)效果是教師必須思考和解決的教學(xué)難點(diǎn)。“授之以魚不如授之以漁”，教師必須改變填鴨式教學(xué)方式，通過(guò)現(xiàn)代科技手段的運(yùn)用，使書面的理論形象化，抽象的物理過(guò)程直觀化，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高其自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)造力。在電子信息學(xué)科及相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)課程教學(xué)中，除了通過(guò)讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室利用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行學(xué)習(xí)外，運(yùn)用仿真分析軟件開展輔助教學(xué)也是比較好的方式。在運(yùn)用仿真軟件開展教學(xué)方面，很多教師進(jìn)行了積極的探索，如湘南學(xué)院黃健全等將HFSS仿真應(yīng)用在電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)中，取得了較好效果[7]。

1 開展仿真軟件輔助教學(xué)方案

在教學(xué)過(guò)程中引入計(jì)算機(jī)仿真軟件開展輔助教學(xué)，具體方案有以下3個(gè)方面。

1.1 課前準(zhǔn)備環(huán)節(jié)

1)按照教學(xué)大綱，確定開展仿真分析的課程內(nèi)容。

2)針對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容設(shè)計(jì)實(shí)例。一般在微波網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等方面引入仿真軟件輔助教學(xué)效果最好。

3)在課前準(zhǔn)備好仿真模型。由于課堂時(shí)間限制，一般采用簡(jiǎn)單模型。

1.2 教學(xué)環(huán)節(jié)

1)教學(xué)過(guò)程組織方式。

利用仿真軟件輔助教學(xué)有以下兩種組織方式。

①先由教師對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行理論講解，讓學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容有理性認(rèn)識(shí)，再使用仿真軟件進(jìn)行仿真分析，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比分析結(jié)果。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于不影響理論知識(shí)的系統(tǒng)性和連貫性。一般在教學(xué)內(nèi)容中知識(shí)點(diǎn)相互結(jié)合比較密切時(shí)，或者使用仿真軟件開展輔助教學(xué)的初期采用此方式。

②講解理論知識(shí)和使用仿真軟件輔助教學(xué)同步進(jìn)行，教師每講解完一個(gè)知識(shí)點(diǎn)后，立即使用仿真軟件進(jìn)行仿真分析，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于可以提高仿真分析的時(shí)效性，有利于學(xué)生即時(shí)掌握理論知識(shí)點(diǎn)。一般在教學(xué)內(nèi)容中僅需要對(duì)部分知識(shí)點(diǎn)開展輔助教學(xué)時(shí)采用此種方式。

2)輔助教學(xué)操作方式。

利用仿真軟件輔助教學(xué)時(shí)，一般使用教室多媒體播放系統(tǒng)，由教師動(dòng)手操作計(jì)算機(jī)，將仿真軟件操作過(guò)程展示在教室主顯示屏上，并引導(dǎo)學(xué)生觀察仿真分析過(guò)程和結(jié)果。

1.3 注意事項(xiàng)

1)開展仿真軟件輔助教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容的確定非常重要，要實(shí)現(xiàn)好的教學(xué)效果，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)。

①仿真分析的直觀性。選擇的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)具備運(yùn)用仿真軟件開展分析的條件，使學(xué)生建立起理論知識(shí)、仿真模型和仿真分析結(jié)果的直觀聯(lián)系。

②仿真分析的可對(duì)比性。應(yīng)發(fā)揮仿真軟件參數(shù)調(diào)整的數(shù)字化特點(diǎn)，通過(guò)在仿真過(guò)程中輸入不同參數(shù)，形成不同仿真計(jì)算結(jié)果圖，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合理論知識(shí)對(duì)比分析仿真計(jì)算結(jié)果，深化對(duì)理論知識(shí)的理解。

2)由于仿真軟件與實(shí)驗(yàn)設(shè)備相比，存在使用成本低、環(huán)境要求不高的特點(diǎn)，學(xué)生一旦掌握了基本的使用方法，就可以利用課余時(shí)間自行學(xué)習(xí)和使用軟件，并通過(guò)軟件幫助理解教材內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。在課堂教學(xué)中，由于時(shí)間有限，教師只需結(jié)合仿真分析過(guò)程，簡(jiǎn)單介紹仿真軟件基本操作，包括定性分析和定量計(jì)算及對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析和研究，不需對(duì)軟件本身進(jìn)行詳細(xì)講解，也不要求學(xué)生通過(guò)課堂學(xué)習(xí)來(lái)全面掌握軟件功能或?qū)嶋H操作軟件。

2 微波網(wǎng)絡(luò)理論仿真輔助教學(xué)實(shí)例

本文以微波網(wǎng)絡(luò)理論教學(xué)為實(shí)例，引入濾波器仿真設(shè)計(jì)，通過(guò)教師向?qū)W生展示利用電磁仿真軟件ADS對(duì)微帶雙模帶通濾波器進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)與分析的過(guò)程，使抽象的理論具體化和形象化，幫助學(xué)生更加清楚地理解微波網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)理論知識(shí)；同時(shí)，讓學(xué)生對(duì)ADS仿真軟件有初步的認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生建立起運(yùn)用ADS仿真軟件學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)的理念，以利于在今后的學(xué)習(xí)中運(yùn)用仿真軟件進(jìn)行一些實(shí)際的工程設(shè)計(jì)與分析；通過(guò)理論與工程實(shí)際相結(jié)合，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究應(yīng)用能力。

ADS電磁仿真軟件，是美國(guó)安捷倫公司研制的一款電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，可以進(jìn)行時(shí)域/頻域電路仿真、三維電磁仿真、通信系統(tǒng)仿真和數(shù)字信號(hào)處理仿真設(shè)計(jì)，是使用較廣泛的微波/射頻電路和通信系統(tǒng)仿真軟件。

2.1 介紹微波元件分析方法

微波元件是微波系統(tǒng)的重要組成部分，根據(jù)端口的數(shù)目可以將微波元件分為單端口、雙端口及多端口。微波元件的分析方法有以下兩種：1)基于麥克斯韋方程組及邊界條件分析元件內(nèi)部場(chǎng)分布的電磁場(chǎng)理論分析法；2)把微波元件等效為微波網(wǎng)絡(luò)，用微波網(wǎng)絡(luò)參量來(lái)描述微波元件特性的網(wǎng)絡(luò)分析法。方法1)以電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)，較為嚴(yán)格，但在實(shí)際的工程應(yīng)用中，用此方法來(lái)分析一些復(fù)雜的微波元件時(shí)，完整準(zhǔn)確地求解電磁場(chǎng)方程極其困難。方法2)主要研究微波網(wǎng)絡(luò)各端口的問(wèn)題，從而得到微波元件的特性，此方法雖然不能得到微波元件內(nèi)部電磁場(chǎng)的分布情況，但其避免了龐大的數(shù)學(xué)計(jì)算，此外，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以直接測(cè)量微波網(wǎng)絡(luò)各個(gè)端口的參量，因而此方法便于實(shí)際的工程應(yīng)用[8]。

2.2 講解雙端口微波網(wǎng)絡(luò)理論

雙端口元件在微波系統(tǒng)中具有較為廣泛的應(yīng)用，如連接元件、濾波器、相移器、同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換等，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中Es為激勵(lì)源，Z01和Z02為端阻抗，V1和I1為1端口處的電壓和電流，V2和I2為2端口處的電壓和電流。當(dāng)1端口處的正弦電壓為[9]：

圖1 雙端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)示意圖

(1)

則V1可定義為：

V1=|V1|ejφ

(2)

由于在微波頻段難以測(cè)量電壓和電流，因此引入了波變量a1、b1、a2、b2，其中a代表入射波，b代表反射波。波變量與端口電壓、電流之間的關(guān)系式可以表示為：

n=1，2

(3)

或者

(4)

2.3 講解雙端口微波網(wǎng)絡(luò)參量

雙端口網(wǎng)絡(luò)參考面上的電壓和電流之間的關(guān)系可以用阻抗參量及導(dǎo)納參量來(lái)描述，參考面上入射波和反射波之間的關(guān)系可以用散射參量來(lái)描述，各個(gè)參量之間可以進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。

1)阻抗矩陣。雙端口網(wǎng)絡(luò)的阻抗矩陣與端口上的電壓、電流關(guān)系為：

(5)

簡(jiǎn)寫為：

[V]=[Z][I]

(6)

式中：[Z]為阻抗矩陣；Zii(i=1，2)表示其余各端口開路時(shí)，i端口電壓Vi與i端口電流Ii的比值，即i端口的自阻抗；Zij(i、j=1，2，i≠j)表示其余各端口開路時(shí)，j端口加電流Ij，i端口電壓Vi與j端口電流Ij的比值，即i端口與j端口的互阻抗。

2)導(dǎo)納矩陣。雙端口網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)納矩陣與端口上的電壓、電流關(guān)系為：

(7)

簡(jiǎn)寫為：

[I]=[Y][V]

(8)

式中：[Y]為導(dǎo)納矩陣；Yii(i=1，2)表示其余各端口短路時(shí)，i端口電流Ii與i端口電壓Vi的比值，即i端口的自導(dǎo)納；Yij(i、j=1，2，i≠j)表示其余各端口短路時(shí)，j端口加電壓Vj，i端口電流Ii與j端口電壓Vj的比值，即i端口與j端口的互導(dǎo)納。

3)散射矩陣。在微波系統(tǒng)中，散射參量可以通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀直接進(jìn)行測(cè)量，因此，雙端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣在實(shí)際工程中應(yīng)用得較多。雙端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)用波變量表示為：

(9)

式中：an=0(n=1，2)表示在n端口阻抗匹配；S11表示2端口匹配時(shí)，1端口的反射系數(shù)；S12表示1端口匹配時(shí)，由2端口到1端口的傳輸系數(shù)；S22表示1端口匹配時(shí)，2端口的反射系數(shù)；S21表示2端口匹配時(shí)，由1端口到2端口的傳輸系數(shù)。上述定義可以表示為矩陣形式：

(10)

式中，S11和S22為反射系數(shù)，S12和S21為傳輸系數(shù)。

3 運(yùn)用ADS軟件開展輔助教學(xué)

微帶帶通濾波器是典型的雙端口元件，平面結(jié)構(gòu)的微帶雙模帶通濾波器以其結(jié)構(gòu)緊湊、高性能等諸多特點(diǎn)在微波帶通濾波器中得到了廣泛的應(yīng)用，以微帶雙模帶通濾波器為教學(xué)實(shí)例，不僅可以讓學(xué)生對(duì)微波網(wǎng)絡(luò)理論有更加清楚的認(rèn)識(shí)，還可以讓學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)課程的實(shí)際工程應(yīng)用有一定的了解。

3.1 引導(dǎo)學(xué)生觀察仿真模型

教學(xué)中，為增強(qiáng)演示效果，采用圖2所示的微帶雙模帶通濾波器的結(jié)構(gòu)[10-13]。引導(dǎo)學(xué)生觀察該濾波器特點(diǎn)，并與雙端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)示意圖進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明，深化學(xué)生對(duì)雙端口元件知識(shí)點(diǎn)的理解，形象地認(rèn)識(shí)到該雙模帶通濾波器是由環(huán)形結(jié)構(gòu)的諧振器和饋線結(jié)構(gòu)組合而成，環(huán)形諧振器的每邊邊長(zhǎng)均為λg/4，諧振器右上角的正方形貼片為微擾結(jié)構(gòu)，其作用是控制兩個(gè)模的位置。

圖2 微帶雙模帶通濾波器模型

3.2 指導(dǎo)學(xué)生分析仿真結(jié)果

在教學(xué)中，選用相對(duì)介電常數(shù)εr=9.6，介質(zhì)板厚度h=0.8 mm的介質(zhì)基片材料，雙模帶通濾波器的工作頻率設(shè)定在2.1 GHz，通過(guò)ADS仿真軟件仿真計(jì)算得到的S參數(shù)，如圖3所示。

(a)S11圖

(b)S21圖圖3 仿真計(jì)算結(jié)果

在實(shí)際的教學(xué)中，還可以通過(guò)改變環(huán)內(nèi)小正方形貼片即微擾結(jié)構(gòu)的尺寸，讓學(xué)生觀察S參數(shù)隨之改變的情況，可以讓學(xué)生對(duì)S參數(shù)這一難點(diǎn)有更直觀的認(rèn)識(shí)。

3.3 仿真軟件輔助教學(xué)的效果

4 結(jié)束語(yǔ)

將ADS仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用于電磁場(chǎng)與微波技術(shù)的課程教學(xué)中，不僅可以讓學(xué)生對(duì)課本上的理論知識(shí)有更加深刻的認(rèn)識(shí)，改善課堂教學(xué)效果，還可以使學(xué)生熟悉微波仿真軟件的基本用法，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，為今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)后續(xù)課程及從事相關(guān)領(lǐng)域的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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ResearchontheTeachingMethodofUsingtheADSSimulationinElectromagneticFieldandMicrowaveTechnologyTeaching

GAO Shanshan

(School of Information Science and Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，China)

The electromagnetic field and microwave technology is one of the most important professional basic courses in the field of electronic information and related fields.In this paper，the electromagnetic simulation software ADS is introduced to simulate two ports microstrip dual-mode bandpass filter which based on the related theory of microwave network.It can help the students understand the relevant theory of microwave network more clearly and improve the engineering practical ability of the students and achieve better teaching effect.

electromagnetic field;microwave technology;ADS simulation software;simulation;microwave network

2016-01-15；修改日期:2016-02-24

四川省教育廳科研項(xiàng)目(15ZB0387)。

高山山(1982-)，女，博士，副教授，主要從事微波毫米波元器件方面的研究工作。

TN015；G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.017