微波技术教学改革初探

曹卫平 高 喜 于新华 姜彦南

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西 桂林 541004）

微波技术教学改革初探

曹卫平 高 喜 于新华 姜彦南

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西 桂林 541004）

微波技术是工科电子信息类专业的一门专业基础课程。该课程内容多、概念抽象，为了激发学生的学习兴趣，提高课堂教学效果，文章提出合理利用仿真软件，对实际波导器件中的电磁场进行模拟仿真，让学生建立对电磁场的感性认识，从而加深对电磁场以及波导中模式概念的感性认识，为培养IT行业中的高素质创新人才打下基础。

微波技术；教学效果；学习兴趣；仿真软件

微波技术是工科电子信息类专业的一门重要技术基础课，是在学习了电路基础和电磁场与电磁波等课程的基础上，对微波领域进行深入研究的课程，是工程性、实践性较强的课程，同时又是一门理论性强，概念抽象的课程。尤其在利用场方法分析的波导结构的章节中，其理论性更强，公式繁多，而且对于“场”，概念抽象，既看不见也模不着。因此，学生对该课程中“场”的理解困难很大，由此产生强烈的畏惧感，可以说是“谈虎色变”，往往几节课，甚至一个学期下来，学生对该门课程仍然是一知半解，尤其对“场”概念的理解更是模糊。另一方面，教师在教学的过程中感觉也很棘手，很难选择一个合适的角度对“场”的概念进行讲解，让学生对此能有一个清晰的认识，特别对于二类本科院校，学生基础普遍相对薄弱，上述现象尤为突出。为了改变对微波技术这门课程的“难教、难学”的局面，使学生顺利完成这门课程的学习，培养更多合格的高素质IT人才，许多该课程的教学工作者都在积极寻找新的教学方法和手段。在教学实践中也在不断地总结经验，探索适合本专业特点的新的生动形象教学法，使教学质量得到进一步提高，使学生的素质进一步提高，以满足IT行业中日益增长的人才需求。

（一）基本理论分析

从教材结构的安排来看，波导结构的讲解在传输线之后。对传输线理论，主要采用“路”的方法进行分析，而对波导的分析主要利用“场”的方法。所以从理论方法上看，这两部分的内容存在比较大的跳跃，为了能够从传输线理论较好过渡到波导理论上来，同时为了帮助学生建立感性认识，课前我们给学生展示一些波导结构实物（如“矩形波导”和“圆波导”）。通过实物的展示，让学生感受波导这种微波传输结构与传输线结构之间的本质不同：传输线是双线系统，而波导结构是一种中空的封闭结构。进而，提出对波导结构的分析方法与传输线的分析方法也有很大差别，对波导结构而言，主要从“场”的角度进行分析。采用这循序渐进的方式，在我们引入场的概念时，学生有一定的思想准备，而不感到突然。

图1 波导结构

采用波导结构传输微波，也就是将电磁波限制在波导结构中传播。而这些电磁波必然满足 Maxwell方程组，这是我们利用“场”方法分析波导结构的根本出发点，只是在这种情况下电磁场要满足具体的边界条件（即波导的金属壁）。因此，只要在合适的坐标系中（矩形波导采用直角坐标系如图1所示）结合具体的边界条件求解 Maxwell方程组得到电场和磁场的各个分量，便可得到波导结构的场分布。而对于有电磁场、电磁波以及数学物理方程课程基础的学生来讲，在一定边界条件下求解 Maxwell方程组以及在求解过程中用到的分立变量法并不陌生，因此对此可以直接给出用纵向场表示横向场的表达式，以及纵向场满足的亥姆霍兹方程而对求解过程视情况（例如该课程授课时数的多少）可以轻描淡写地讲一讲，避免繁琐的数学推导。

（二）电磁仿真

在对Maxwell方程解的形式的讨论上既是重点又是难点，因为满足波导边界条件的解形式有无穷多个，每一个满足边界条件的解叫做波导中的一种模式，也就说波导中有无穷多个模式，而每一个模式由于独立满足边界条件，因此都能在波导中单独存在。对“模式”这一概念，要从数学上讲清楚比较抽象、难懂，而从物理上讲，它在波导中又是实际存在的，但是看不见也模不着，大多数学生对此难以理解。

为了摆脱这种困难的局面，笔者发现如果借助电磁模拟软件（如 HFSS、CST等）对波导结构中不同模式的场进行现场仿真[4-5]，将波导中“无形”的场变成“有形”的线条，化“抽象”为“具体”，让学生在一个形象直观的环境下理解波导中的模式，往往能够取得事半功倍的效果。例如在 CST软件中按照图 1的方式建立波导模型，利用驱动模式求解方法，模拟3种模式的场结构，具体如图2－4所示。图2为波导中TE10模式电场空间分布，图2为TE10模式的电场在yz平面的分布，图3为TE10模式的电场在xy平面内的分布，从图中线条箭头的方向还能够判断电场的方向，在波导边界上切向场分量等于零等信息在图中都能清晰反应出来。另一方面，如果采用软件中的动画效应，还能够显示场只在传播方向（z方向）的信息。对于磁场，也能通过模拟仿真进行直观显示。对于不同的模式，我们只要在仿真软件中多设计几个模式，便可以方便解决，通过对不同模式之间电、磁场分布方式的比较，学生便能够理解电磁波在波导中传播时是以不同模式进行传播，也就是说以不同的电、磁场的分布结构形式，这一点与电磁波在自由空间中的传播有很大的不同。

从激发学生兴趣的角度来看，学生对一些新生事物总是存在一种好奇的心态，这样把他们原来根本没有接触过的仿真软件带入课堂[5]，能有效激发他们的学习兴趣和求知欲，在学生这种强烈求知欲下，我们分析波导中电磁场的模式，所取得的教学效果那是可想而知的。另一方面，电磁仿真软件是微波器件工程设计的一个必不可少的软件，提前向学生介绍这些软件，对提高学生的综合素质也是大有裨益的。

图2 TE10模式的在平行于xz平面内的分布

图3 TE10模式的在平行于yz平面内的分布

图4 TE10模式的电场分布

（三）结束语

在微波技术这一课程中有许多繁琐的数学公式和枯燥的概念，这往往让学生产生畏惧感，从而失去学习兴趣。HFSS及 CST等电磁仿真软件能够对具体的微波器件进行有效模拟计算，并且能够将器件中“无形”的场结构用“有形”的线条表示出来，这样便能够将一些枯燥的数学公式和抽象的物理概念用简单而形象的线条进行描绘。另一方面，在计算机高度发达的今天，与微波相关的软件都能够在个人电脑上运行，而且随着高校教学条件的改善，各高校都拥有一定数量的多媒体教室。基于此，我们建议，在微波技术课程教学过程中，合理利用仿真软件对微波器件进行现场模拟，激发学生兴趣和学习主动性，让学生在一种比较轻松愉快的环境中去学习，既学好了书本知识，又掌握了仿真软件的使用，有利于培养具有实践能力的实用型人才。

[1] 郑学梅,邬春明,雷宇凌.浅谈《微波技术》课程教学改革[J].科技创新导报,2008,No.24:164.

[2] 刘玳珩,张秀成.电磁场与微波课程改革与教学法研究[J].实验技术与管理,2001,18(6):73-76.

[3] 钟玉云,雷静.工科院校实践教学改革探索[J].广东工业大学学报,2006,Vol.6 Suppl.

[4] 高喜,曹卫平,姜彦南.微波与射频电路设计课程教学改革初探[J].企业科技与发展,2010,N0.12.269-271.

[5] 曹卫平.射频 CAD 技术可以提高毕业设计质量[J].电气电子教学学报,2007,(29):117-119.

G420

C

1008-1151(2011)06-0134-02

2011-04-20

新世纪广西高等教育教学改革工程立项项目（11083）

曹卫平（1971－），男，湖南益阳人，桂林电子科技大学信息与通信学院博士，研究方向为微波毫米波器件。