工科“微波技术与天线”课程教学实践探索

张 海,葛悦禾,汤 炜

（华侨大学 信息科学与工程学院，福建厦门，361021）

工科“微波技术与天线”课程教学实践探索

张 海,葛悦禾,汤 炜

（华侨大学 信息科学与工程学院，福建厦门，361021）

“微波技术与天线”是通信工程及电子信息相关专业的一门基础课程。该课程理论性强，概念抽象，数学公式复杂。传统教学方法难以获得良好的教学效果，且无法做到理论与实践兼顾。本文探讨了如何利用现代多媒体技术及EDA电磁仿真软件提高该课程的教学质量。通过多媒体技术能将抽象的概念形象化，利用EDA仿真软件能够对微波器件及天线等进行三维仿真设计，达到理论与实践相结合的目的。

微波技术；多媒体技术；电磁仿真；教学改革

0 引言

当今社会，无线通信技术已经遍及生产生活的各个领域，而实现无线通信的最重要载体就是电磁波。信号被高频载波调制、放大并通过天线以电磁波的形式发射出去，完成有用信息的传输。整个通信系统涉及通信工程及电子科学与技术等多个学科[1]。其中“微波技术与天线”是这些学科专业中的一门关键课程。该课程理论性较强，且概念抽象，不易理解和学习[2-3]。对如何讲授这门课程的老师及如何学好这门课程的学生都是一个不小的挑战。同时，该课程的工程实践性强，学生不仅要学好理论知识，而且还要掌握常用微波元件和天线的设计方法，以及相关仪器的使用。由于微波测量仪器的价格昂贵，学校采购数量有限，很难满足每一位同学的实验操作需求[4]。因此，本文探讨了如何在传统教学中，将现代多媒体技术与EDA电磁仿真软件相结合，合理融入到教学过程中。通过利用多媒体技术，使抽象的概念更加形象和直观，便于学生理解；同时通过EDA电磁仿真软件，使学生可在电脑上进行仿真实验，更加方便和直观地设计微波器件或天线，达到学以致用的目的。

2 课堂教学方法的改进

2.1 打好理论基础

“微波技术与天线”作为一门专业基础课，包括微波技术与天线技术的基本理论、基本原理及设计方法。学习该课程需要具备其他一些专业基础知识，例如复变函数、线性代数及电路理论等，尤其是电磁场与电磁波是学习该课程的基础理论[5-6]。由于课时有限，不可能在课堂上花太多时间去复习这些知识，因此在正式讲授这门课程前需提前告知学生复习高等数学、电路、电磁场与电磁波理论等知识。这有利于增强知识的连贯性，为学生理解和学习“微波技术与天线”课程打下一个良好的基础。若时间允许，可在授课前对学生做一个综合基础知识的测验，测验的目的不在于评估学生学习成绩，而是让学生清楚自己在哪些方面还存在知识欠缺。

由于该课程理论公式推导较多，且物理概念抽象，容易导致学生产生“课程实用性不高”等错觉，从而产生厌学心理。为了激发学生们的学习兴趣，使他们对课程有一个正确认识，授课教师需要精心准备一节内容丰富、图文并茂的绪论课。利用多媒体技术，通过图像、视频及动画等向学生们展示微波技术及天线在各个领域的广泛应用及发展前景。另外，如果授课教师有从事该专业的研究工作，可以和学生们分享相关研究心得，激励他们更加努力的学好这门课程。

2.2 合理使用多媒体技术

“微波技术与天线”课程中的很多概念抽象复杂，仅仅使用简单的文字描述或静态图片展示很难加以理解。通过使用现代多媒体技术可将抽象的概念形象化，利用彩色图片及动画等技术手段将抽象难懂的知识生动直观地展示给学生。例如“场”这一概念，很多学生反映难以理解。多媒体这一教学手段可以很生动、形象地去表达“场”这一看不见摸不着的物质，帮助学生去建立或者重构“场”在他们大脑中的印象，避免教师在“场”教学中的枯燥乏味，从而达到良好的教学效果。

另外，在讲授无耗传输线的工作状态、规则金属波导中的场时，也可采用多媒体教学。如对矩形波导中TE10模的电场、磁场以及三维场分布，可以采用多媒体动画的形式来呈现，这样就会使学生更加直观、深入地认识矩形波导中的场分布，加深理解，提高教学效果。图1所示为电磁波在矩形波导中的传输过程；图2所示为雷达探测目标的工作原理。

图1 电磁波在波导中的传输

当然，本文所提倡的是在教学中利用多媒体技术作为辅助手段，而不是用多媒体技术完全取代传统教学方法。对于理论推导，采用黑板板书的方式效果更好，因为在推导过程中可以带动学生们思考公式推导思路及相关物理意义。

总之，对于一些教学提纲、归纳小结、图文图表以及动画演示的内容，宜采用多媒体教学；而对一些理论公式的推导，则用板书授课能够增强师生之间的互动性，取得更好的授课效果，学生也能够跟着教师的思路一步步来领会和掌握课堂讲授的知识。所以，在“微波技术与天线”课程的教学中，应充分利用多媒体辅助教学的优势，采用板书和多媒体优势互补的授课方式。

图2 雷达的工作原理

2.3 改进考核制度

“微波技术与天线”这门课程容易使学生产生恐惧心理，合理的激励是必要的。考核主要在于考察学生理论学习的成果，一般通过期末考试的成绩来评估。在总成绩的计算中，建议试卷成绩占总成绩的70%，平时课堂回答问题、小测验及作业的完成情况展20%，另外，在期末安排学生做一个学习报告，将该成绩计入总成绩，比例为10%。这样可以将学生的用功程度及学习能力做一个较全面地考察，另外可以促使学生在课堂上积极思考和发言。

3 EDA电磁仿真实验

“微波技术与天线”是一门实践性强的课程，由于该课程的实验仪器都非常昂贵，且学生人数较多，实验过程中的仪器管理与维护等需要耗费大量时间。并且在有限的时间内难以让每位同学亲手操作一遍，因此可以使用现有的EDA 电磁仿真软件来解决上述问题。目前，常用的微波仿真软件有CST、Ansys HFSS、ADS与Ansys Designer等，并且都提供了相应的学生免费版。免费版完全可以满足课程教学的需求。利用这些软件可以让学生对“微波技术与天线”课程中的常用微波器件及天线进行仿真设计。在仿真实验中，可以加深学生对相关物理概念的理解，以及对理论知识的掌握，同时增强学生们的学习兴趣。

在课程的实验教学中，实验内容的安排如图3所示。其中红色框图为基础实验，每个学生都需要独立完成；拓展实验属于开放性实验，学生可以根据自己的实际情况选择。

其中，“匹配电路设计”实验的目的是让学生理解阻抗匹配的基本原理，会用Smith 圆图设计阻抗匹配电路。而威尔金森功分器与耦合器设计实验目的是让学生掌握奇偶模分析法以及各自的设计方法，理解相应散射参量所表示的物理意义。图4 所示为学生在仿真实验中设计的功分器。

图3 仿真实验内容

图4 功分器仿真图

同时，由于天线的相关概念很抽象，学生难以理解，所以安排了一个微带天线设计试验，在HFSS 软件中设计一个矩形微带天线，并且在软件中生成天线的相关技术参数报告，通过图标及动画来加深对天线相关概念的理解。图5是实验课上所设计的三角形微带天线模型及仿真结果。

通过仿真实验，学生们对天线的概念及工作原理就有了更加深入的理解。在实验考核中基础试验纳入考核得分，学生只有独立完成相关试验，并提交详细试验报告才可得满分。拓展试验不纳入考核范围，其目的是对该门课程感兴趣并希望在该领域进一步研究的学生自学完成。因此，通过合理运用电磁仿真软件进行相应的实验不仅能够使学生更好地掌握理论知识，而且还能训练学生们的思考能力及激发他们的学习热情。

图5 三角形微带天线结构及仿真结果

4 结论

本文阐述了“微波技术与天线”课程的内容特点及教学难点，并对传统教学方法提出了一些改进措施。通过合理地安排教学内容及运用现代多媒体技术，提高教学质量，并安排相应的仿真实验，有效加深理论知识的理解和掌握，破除了对该课程的恐惧心理，激发了学生们的学习兴趣。

[1]袁海军，马云辉，刘咏梅等. 《微波技术与天线》课程教学中理论性与工程应用性的结合探讨[J].科技资讯,2012,24:169-170.

[2]夏祖学，李少甫，胥磊. 《天线与微波技术》课程的教学改革研究与实践[J]. 实验科学与技术,2013,06:49-51.

[3]蒋铁珍，廖同庆. 《微波技术与天线》教学: 与工程应用相结合[J]. 教育与教学研究,2014,28(06):78-80.

[4]李新营，曹雪. 《微波技术与天线》教学的研究与探讨[J]. 物理通报,2014,12:25-27.

[5]李素萍，吴伟. 《微波技术与天线》课程教学改革探讨[J]. 中国电力教育，2011,08:108-109.

[6]Xing Xu,Long Yu,Weixing Wang. The Reform and Research on the Teaching of “Microwave Technology” Course [C]. proceeding of 2010 third international conference on education technology and training.2010.

Research on Teaching Practice of Engineering Microwave Technique and Antenna

Zhang Hai,Ge Yuehe,Tang Wei
（College of Information Science and Engineering, Huaqiao University,Fujian Xiamen,361021）

"Microwave technology and antennas"is a fundamental curriculum in the majors of communication engineering and electronic information engineering. It is difficult to learn for its deep theories, abstract concepts and complex mathematical formulas. Traditional teaching is not very effective and we are unable to integrate theory and practice perfectly. This paper discussed how to improve the teaching quality of the curriculum using modern multi-media technologies and electromagnetic field simulation software of electronic design automation. Abstract concepts can be taught vividly using multi-media technologies in front of students. Using simulation software, three-dimensional simulation and design technology should apply to microwave devices and antennas to achieve the goal of combining theory with practice successfully.

Microwave technology; Multi-media technology; Electromagnetic field simulation; Teaching reform

张海（1981—），男，讲师，硕士生导师。

华侨大学2013年本科教育教学改革立项项目（2013JGYB36）；福建省教育厅科技项目（JA14022）