微波技术与天线的仿真实践教学

郁剑 朱家乐 陶方琪

摘要：为了使学生更加直观地理解所学的电磁场、微波与天线知识，激发学生的实验兴趣，全面提高实验教学质量，提出了把电磁仿真软件引入到微波技术和天线的实验教学中。结合现有的实验教学内容，并将电磁仿真软件嵌入到具体的实验环节中，可以更好地提高实验教学效果。通过电磁仿真软件的嵌入，不仅使实验教学突破了传统地、单一地验证型微波实验，使实验内容更加丰富、更具设计性，而且能够培养和锻炼学生的创新思维能力和实践能力，提高学生的综合竞争力。

关键词：电磁仿真软件;微波技术;天线;电磁场;实验教学

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：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

《微波技術与天线》课程是电子信息工程与通信工程等电子信息类相关专业的专业必修课程之一。通过本课程的学习，学生可以了解微波元件与天线[1-2]及其在各领域的应用、微波网络的特点，掌握微波在各种介质（传输线和波导）中的传输方式，微波网络中的等效概念，同时，学会使用史密斯圆图分析阻抗匹配，用场的理论分析各种模式的场结构;通过具体的实验操作基本掌握测量微波网络的各个参量。学完本课程后，能够让学生深入了解和基本掌握微波技术与天线的相关原理及其实际应用。

高等院校根据《微波技术与天线》课程的教学需要，开设相应的实验课程，不仅可以加深学生对先学课程《电磁场与电磁波》的知识理解，而且可以充当科学研究与工程应用的实践课程，培养本专业学生的理论运用和专业技能，满足电子信息类（微波/射频）专业的卓越工程师培养计划[3-4]。但是，在多数高等院校中，专业课程《微波技术与天线》的实验课程开设存在一定困难，因为开设微波技术与天线实验课程除了需要基本的仪器设备外，还需要配备矢量网络分析仪、微波暗室等硬件设施，这些都需要投入大量的资金[5]。所以，在高等院校中开设《微波技术与天线》仿真实验课程是学校在专业人才培养和资金控制方面的良好折中，是一种效果非常好的实验教学方法[6]。

开设微波技术和天线仿真实验课程的主要目的有5个方面：（1）理解和感性认知电磁波在传输线和波导等传播媒介中的传输方式;（2）掌握史密斯圆图，并利用史密斯圆图分析阻抗匹配;（3）了解微波网络，如何测量微波网络参量;（4）掌握天线（电偶极子天线、贴片天线）的参数分析与指标设计;（5）掌握基本的电磁学仿真软件的使用。

目前，虽然国内有些电子信息类高等院校开设了微波技术或天线类课程的仿真实验项目。但是，这些高校开设的仿真实验课程中，有的是利用Visual-Basic软件开发工具设计开发的天线实验教学仿真系统[7];有的是借助微视频的实验教学模式来提高“电波与天线”实验教学的效果[8]，无法让学生直观地感受到电磁场在各种介质、情景中的传播过程及传播现象。

为了更好地提高《微波技术与天线》课程的教学质量， 在完成基本的微波技术实验教学的基础上，本文通过将电磁仿真软件应用到《微波技术与天线》实验教学中，以取得较好的实验教学效果[7-8]。

2 微波技术仿真实验内容介绍

在微波技术这类课程的学习中，首先要学习的就是电磁场的基本理论，接着是传输线及其相关的理论知识，其中会对史密斯圆图进行讲解，并利用史密斯圆图来分析阻抗匹配;然后是波导、传播模式、微波网络（散射矩阵）等的学习。这些内容在学习过程中都比较抽象，学生无法直观的去理解这些抽象内容，开设《微波技术与天线》课程的仿真实验可以让学生在学习这部分知识的过程中，清晰地感受到电磁场在媒介中的传播过程，电场与磁场的交替现象等。所以，引入仿真软件，可以直观地让学生学习到如何利用史密斯圆图来分析阻抗匹配、微波网络参数的具体呈现、传输线波导中电场磁场是如何运动等等。

图1给出了传输线的仿真模型及其电场和磁场在传输线上的分布。通过仿真软件的引入，学生利用仿真软件可以直观地感受到传输线模型中电场与磁场的分布及其运动规律。图 2 给出的是传输线模型的S参数（反射系数），也就是微波技术课程中的微波网络章节的具体体现。图3给出的是传输线模型传输与反射的史密斯匹配圆图，从史密斯圆图上可以清晰地看出传输线在一个频段内是否匹配，所设计的传输线模型是否满足要求等。与传输线对应的是波导模型及其性能，如图4所示。图中给出了波导模型中电磁场的分布及强弱状态。图1-图3可以与理论教学中的讲述和结果对比，便于学生理解电磁场与微波技术相关课程中所授知识的来龙去脉，从抽象到形象生动，学懂课程理论中的抽象难以理解的知识，达到《微波技术与天线》课程实验教学的目的。

3 天线仿真实验介绍

天线课程的讲授相较于微波技术课程更加抽象、内容更加枯燥无味，学生在学习天线课程的过程中相当是难以接受和理解天线的基础理论。通过在课程的实验环节引入仿真实验项目，利用仿真软件对典型基本天线的相关结论现象进行仿真实验教学，可以使学生更快的理解天线的相关理论知识和技术参数，更好地接受天线课程，并对天线课程增加兴趣。

图5给出的是最基本的电偶极子天线及电偶极子天线的电磁场分布，从图5给出的仿真的结果可以清晰地看到电场的分布主要是沿着电偶极子天线的两个振子方向，而磁场的分布是绕着以电偶极子为中心的圆。图6给出的是电偶极子天线的三维辐射方向图。这是讲授天线课程都会讲授到的最基本的辐射方向图，辐射方向图类似苹果形状，从xoz面和yoz面观察，二維辐射方向图是类“8”字形，而从xoy面观察，二维辐射方向图是圆形。

4 结束语

在《微波技术与天线》课程的实践教学环节中引入仿真实验教学，通过电磁仿真软件把电磁场、微波及天线理论知识中出现的抽象知识点具体化的过程，可以有效地加深学生对理论知识的理解，同时，通过电磁仿真软件的实际操作，可以增强本专业学生的专业技能和实践能力，让学生学会基本的仿真建模分析能力。减少本专业学生进入研究生阶段在今后的改革研究中，会不断地引入相关的电磁仿真设计软件，如 Ansoft HFSS、Agilent ADS、IE3D、CST等，使《微波技术与天线》课程的实践教学与当前的科学研究相衔接，更好地培养学生专业技能和工程设计能力，为本专业学生将来工作和研究奠定坚实的学术基础。

参考文献：

[1] 郁剑.改进的圆形单极子超宽带天线[J].电子元件与材料，2015，34（8）：86-89.

[2] 郁剑，张丹萍，白拴明，等.一种新型超宽带陷波天线的设计[J].压电与声光，2017，39（2）：312-315.

[3] 黄健全，蒋纯志，谭乔来，等.电磁场与无线技术实践教学体系[J].实验室研究与探索，2015，34（4）：179-181，195.

[4] 郁剑，帅仁俊，何霄鹏，等.电子仿真开放实验室的探索[J].中国科技信息，2017（22）：56-57.

[5] 赵春晖，廖艳苹，崔颖.“微波工程”系列课程建设经验与成效[J].中国大学教学，2013（6）：40-42.

[6] 汪涛，毛剑波，刘士兴，等.天线仿真实验的设计与教学实践[J].实验技术与管理，2012，29（12）：89-93.

[7] 房少军，李洪彬，段晓燕，等.天线实验教学仿真系统的研究[J].实验室研究与探索，2010，29（1）：50-52，58.

[8] 谭立容，袁迎春，张照锋，等.借助微视频的“电波与天线”实验教学改革[J].实验技术与管理，2016，33（3）：166-168.

【通联编辑：王力】