郁劍 朱家樂 陶方琪

摘要：為了使學生更加直觀地理解所學的電磁場、微波與天線知識，激發(fā)學生的實驗興趣，全面提高實驗教學質量，提出了把電磁仿真軟件引入到微波技術和天線的實驗教學中。結合現(xiàn)有的實驗教學內容，并將電磁仿真軟件嵌入到具體的實驗環(huán)節(jié)中，可以更好地提高實驗教學效果。通過電磁仿真軟件的嵌入，不僅使實驗教學突破了傳統(tǒng)地、單一地驗證型微波實驗，使實驗內容更加豐富、更具設計性，而且能夠培養(yǎng)和鍛煉學生的創(chuàng)新思維能力和實踐能力，提高學生的綜合競爭力。

關鍵詞：電磁仿真軟件;微波技術;天線;電磁場;實驗教學

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）30-0109-03

Abstract： In order to make the students understand the electromagnetic field， microwave and antenna more intuitively， stimulate the students' experimental interest and improve the quality of experiment teaching in an all-round way， the electromagnetic simulation software is introduced into the experiment teaching of microwave technology and antenna. Combining with the existing experimental teaching content and embedding the electromagnetic simulation software into the specific experiment， the experimental teaching effect can be improved better. Through the embedding of electromagnetic simulation software， the experiment teaching breaks through the traditional and single verification microwave experiment， makes the experiment content more abundant and more designable. Meanwhile， students' innovative thinking ability and practical ability can be cultivated and exercised， and students' comprehensive competitiveness can also be improved.

Key words： electromagnetic simulation software; microwave technology; antenna; electromagnetic field; experimental teaching

1 引言

《微波技術與天線》課程是電子信息工程與通信工程等電子信息類相關專業(yè)的專業(yè)必修課程之一。通過本課程的學習，學生可以了解微波元件與天線[1-2]及其在各領域的應用、微波網絡的特點，掌握微波在各種介質（傳輸線和波導）中的傳輸方式，微波網絡中的等效概念，同時，學會使用史密斯圓圖分析阻抗匹配，用場的理論分析各種模式的場結構;通過具體的實驗操作基本掌握測量微波網絡的各個參量。學完本課程后，能夠讓學生深入了解和基本掌握微波技術與天線的相關原理及其實際應用。

高等院校根據(jù)《微波技術與天線》課程的教學需要，開設相應的實驗課程，不僅可以加深學生對先學課程《電磁場與電磁波》的知識理解，而且可以充當科學研究與工程應用的實踐課程，培養(yǎng)本專業(yè)學生的理論運用和專業(yè)技能，滿足電子信息類（微波/射頻）專業(yè)的卓越工程師培養(yǎng)計劃[3-4]。但是，在多數(shù)高等院校中，專業(yè)課程《微波技術與天線》的實驗課程開設存在一定困難，因為開設微波技術與天線實驗課程除了需要基本的儀器設備外，還需要配備矢量網絡分析儀、微波暗室等硬件設施，這些都需要投入大量的資金[5]。所以，在高等院校中開設《微波技術與天線》仿真實驗課程是學校在專業(yè)人才培養(yǎng)和資金控制方面的良好折中，是一種效果非常好的實驗教學方法[6]。

開設微波技術和天線仿真實驗課程的主要目的有5個方面：（1）理解和感性認知電磁波在傳輸線和波導等傳播媒介中的傳輸方式;（2）掌握史密斯圓圖，并利用史密斯圓圖分析阻抗匹配;（3）了解微波網絡，如何測量微波網絡參量;（4）掌握天線（電偶極子天線、貼片天線）的參數(shù)分析與指標設計;（5）掌握基本的電磁學仿真軟件的使用。

目前，雖然國內有些電子信息類高等院校開設了微波技術或天線類課程的仿真實驗項目。但是，這些高校開設的仿真實驗課程中，有的是利用Visual-Basic軟件開發(fā)工具設計開發(fā)的天線實驗教學仿真系統(tǒng)[7];有的是借助微視頻的實驗教學模式來提高“電波與天線”實驗教學的效果[8]，無法讓學生直觀地感受到電磁場在各種介質、情景中的傳播過程及傳播現(xiàn)象。

為了更好地提高《微波技術與天線》課程的教學質量， 在完成基本的微波技術實驗教學的基礎上，本文通過將電磁仿真軟件應用到《微波技術與天線》實驗教學中，以取得較好的實驗教學效果[7-8]。

2 微波技術仿真實驗內容介紹

在微波技術這類課程的學習中，首先要學習的就是電磁場的基本理論，接著是傳輸線及其相關的理論知識，其中會對史密斯圓圖進行講解，并利用史密斯圓圖來分析阻抗匹配;然后是波導、傳播模式、微波網絡（散射矩陣）等的學習。這些內容在學習過程中都比較抽象，學生無法直觀的去理解這些抽象內容，開設《微波技術與天線》課程的仿真實驗可以讓學生在學習這部分知識的過程中，清晰地感受到電磁場在媒介中的傳播過程，電場與磁場的交替現(xiàn)象等。所以，引入仿真軟件，可以直觀地讓學生學習到如何利用史密斯圓圖來分析阻抗匹配、微波網絡參數(shù)的具體呈現(xiàn)、傳輸線波導中電場磁場是如何運動等等。

圖1給出了傳輸線的仿真模型及其電場和磁場在傳輸線上的分布。通過仿真軟件的引入，學生利用仿真軟件可以直觀地感受到傳輸線模型中電場與磁場的分布及其運動規(guī)律。圖 2 給出的是傳輸線模型的S參數(shù)（反射系數(shù)），也就是微波技術課程中的微波網絡章節(jié)的具體體現(xiàn)。圖3給出的是傳輸線模型傳輸與反射的史密斯匹配圓圖，從史密斯圓圖上可以清晰地看出傳輸線在一個頻段內是否匹配，所設計的傳輸線模型是否滿足要求等。與傳輸線對應的是波導模型及其性能，如圖4所示。圖中給出了波導模型中電磁場的分布及強弱狀態(tài)。圖1-圖3可以與理論教學中的講述和結果對比，便于學生理解電磁場與微波技術相關課程中所授知識的來龍去脈，從抽象到形象生動，學懂課程理論中的抽象難以理解的知識，達到《微波技術與天線》課程實驗教學的目的。

3 天線仿真實驗介紹

天線課程的講授相較于微波技術課程更加抽象、內容更加枯燥無味，學生在學習天線課程的過程中相當是難以接受和理解天線的基礎理論。通過在課程的實驗環(huán)節(jié)引入仿真實驗項目，利用仿真軟件對典型基本天線的相關結論現(xiàn)象進行仿真實驗教學，可以使學生更快的理解天線的相關理論知識和技術參數(shù)，更好地接受天線課程，并對天線課程增加興趣。

圖5給出的是最基本的電偶極子天線及電偶極子天線的電磁場分布，從圖5給出的仿真的結果可以清晰地看到電場的分布主要是沿著電偶極子天線的兩個振子方向，而磁場的分布是繞著以電偶極子為中心的圓。圖6給出的是電偶極子天線的三維輻射方向圖。這是講授天線課程都會講授到的最基本的輻射方向圖，輻射方向圖類似蘋果形狀，從xoz面和yoz面觀察，二維輻射方向圖是類“8”字形，而從xoy面觀察，二維輻射方向圖是圓形。

4 結束語

在《微波技術與天線》課程的實踐教學環(huán)節(jié)中引入仿真實驗教學，通過電磁仿真軟件把電磁場、微波及天線理論知識中出現(xiàn)的抽象知識點具體化的過程，可以有效地加深學生對理論知識的理解，同時，通過電磁仿真軟件的實際操作，可以增強本專業(yè)學生的專業(yè)技能和實踐能力，讓學生學會基本的仿真建模分析能力。減少本專業(yè)學生進入研究生階段在今后的改革研究中，會不斷地引入相關的電磁仿真設計軟件，如 Ansoft HFSS、Agilent ADS、IE3D、CST等，使《微波技術與天線》課程的實踐教學與當前的科學研究相銜接，更好地培養(yǎng)學生專業(yè)技能和工程設計能力，為本專業(yè)學生將來工作和研究奠定堅實的學術基礎。

參考文獻：

[1] 郁劍.改進的圓形單極子超寬帶天線[J].電子元件與材料，2015，34（8）：86-89.

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[3] 黃健全，蔣純志，譚喬來，等.電磁場與無線技術實踐教學體系[J].實驗室研究與探索，2015，34（4）：179-181，195.

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[5] 趙春暉，廖艷蘋，崔穎.“微波工程”系列課程建設經驗與成效[J].中國大學教學，2013（6）：40-42.

[6] 汪濤，毛劍波，劉士興，等.天線仿真實驗的設計與教學實踐[J].實驗技術與管理，2012，29（12）：89-93.

[7] 房少軍，李洪彬，段曉燕，等.天線實驗教學仿真系統(tǒng)的研究[J].實驗室研究與探索，2010，29（1）：50-52，58.

[8] 譚立容，袁迎春，張照鋒，等.借助微視頻的“電波與天線”實驗教學改革[J].實驗技術與管理，2016，33（3）：166-168.

【通聯(lián)編輯：王力】