“微波技术与天线”教学中工程设计软件的应用

齐 萌

（洛阳理工学院 计算机与信息工程学院，河南 洛阳 471023）

“微波技术与天线”教学中工程设计软件的应用

齐 萌

（洛阳理工学院 计算机与信息工程学院，河南 洛阳 471023）

该文针对微波技术与天线课程的教学难点，提出选择适当的工程设计软件搭建仿真平台应用于教学，并结合具体实例进行了详述。教学实践表明，引入这些仿真软件可以帮助学生加深对理论内容和实际应用的理解，增强学生的学习兴趣，提高教学质量。

微波技术与天线；工程软件；仿真平台；Matlab

“微波技术与天线”课程作为工科电子信息工程、通信工程、电子科学与技术类专业在本科阶段的一门重要专业必修课，一般开设在大三下学期或大四上学期。该课程主要研究微波的传输的问题，包括一些常用的微波传输线和微波无源元件［1］。由于它是一门对理论性、工程性和实践性要求很高的课程，存在推导计算过程繁琐、抽象概念多、涉及知识面广的特点，让学生学好以及老师教好该门课程都有一定的难度。特别对于二类本科院校，学生基础普遍相对薄弱，如果进行传统、单一的教学模式，课堂授课从概念定义开始，然后将原理方法一步步向学生灌输，学生往往不清楚为什么学习这门课，对学习的内容一知半解。因此，为了改变对微波技术这门课程“难教、难学”的局面，使学生顺利完成课程的学习，培养更多高素质的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［2-4］。

本文针对课程学习中学生普遍反映的重点和难点问题展开研究。根据章节内容的特点，选择适当的工程软件，对理论模型数学建模并进行模拟仿真，在仿真过程中加强对基本概念、元件参数及仿真图形的理解。这样的教学方式，使学生不再觉得课堂内容单调枯燥，培养了学生分析解决问题的能力，有利于提高课堂教学效率。

1 传输线的辅助教学

“微波技术与天线”教材中传输线基本理论、微波传输线和微波网络这些内容，基本上都和传输线有关。为了使学生具体了解每个学习内容的物理意义，提高学习的积极性和效率，因此可以借助先进的计算机软件，用数值计算方法来解决较为复杂的电磁场问题，避免繁琐的手工计算。

Matlab又称矩阵实验室，是美国MathWorks公司推出的一套高性能数值计算和可视化软件。该软件集数值分析、矩阵计算、信号处理、图像处理、仿真等功能于一身，包含多个领域的具备专用功能的工具箱，并具有程序开发与扩充功能，使其在各类科学计算软件中具有独特的优势［5］。把Matlab应用到微波教学中可以处理很多问题，如Smith圆图的绘制、计算传输线教学内容涉及的各种参数、绘制矢量线（电力线和磁力线）和等位线等，将抽象的电磁场可视化，减少繁琐的公式及复数计算，激发学生的学习兴趣，所以必然引起较好的教学效果。由于课堂教学课时的限制，不可能在课堂上用较长的时间来讲解 Matlab语言及其应用，但可以让学生在实验室练习，对他们以后的学习与工作是非常有用的。

1.1 Smith圆图

Smith圆图是高等学校微波技术与天线课程的重点教学内容。它主要用于计算微波网络的阻抗、导纳及网络阻抗匹配设计，还可用于设计微波元器件。Smith圆图将等电阻圆和等电抗圆画在反射系数的复平面上，构成了Smith阻抗圆图。其物理概念抽象，曲线图形复杂，学生不容易理解各种曲线的意义，一直是课堂教学的难点。

通过编写Matlab程序构建Smith圆图，在特性阻抗为Z的均匀无耗传输线上，给定归一化输入阻抗Z=R+jX，即给定一组（R，X）值，以反射系数Γ实部和虚部为横纵坐标形成的二维平面上，可以得到一个圆，圆上任一点与圆心的连线长度代表该点相应的传输线上任一点处的Γ值的大小，连线与x=0的实轴间的夹角就是反射系数的幅角。若改变（R，X）的值，可以得到一系列电阻和电抗圆。由于在均匀无耗传输线上，反射系数的模沿传输线不发生变化，并且对于任意Γ值的点，均落在Γ平面的单位圆上。如图1所示，Smith圆图可分为归一化电阻圆、归一化电抗圆和反射系数圆。该模型可以实现圆图的基本应用、构建及确认输入阻抗在圆图上的位置。将原本抽象理论通过图形表示出来，避免了传统公式法所带来的复杂的计算，帮助学生学习和掌握Smith圆图的构成和使用，并使其了解到Matlab的操作和程序的编写。

图1 Smith圆图

1.2 波导

矩形波导是应用最广泛的一种波导系统。对于波导的分析通常是基于场的理论，构建Maxwell方程。为了研究波导中的电磁场，首先需要求出它的各场分量，然后分析波导中存在的波形（即模式）、场结构、传输特性等。然而在求解的过程中会涉及大量数学计算，并且电磁场的分布是不可见的，这就导致了学生在学习过程中感觉内容抽象难于理解，学习积极性下降。

我们发现如果借助仿真软件对波导结构中不同模式的场进行仿真，将场图从“无形”变成“有形”，让学生在一个直观的环境下理解波导中的场，能够取得事半功倍的效果。利用Matlab仿真软件建立波导模型，当满足1<λ/a<2（λ为波长，a为宽壁尺寸）时，TE10型波是主模。通过仿真绘制出波导场结构图如图2所示，其中电力线为红色，磁力线为蓝色。很容易看出，TE10模式的电场线垂直于波导表面，电力线互不交叉；磁力线环绕电场形成闭合曲线，磁力线互不交叉，电力线和磁力线相互正交。这样在三维空间对电磁波进行动态描述，将抽象的场图及概念形象化，容易帮助学生建立起空间动态电磁波的概念，更好地理解矩形波导的场分布。

2 天线的电磁仿真教学

微波电磁仿真软件比较多，常用的有AnsoftHFS、Microwave Office和ADS等［6］。在比较这些软件的可操作性、设计性和应用性之后，针对天线部分的教学，选择Ansoft公司的全波分析软件HFSS仿真简单的天线，将得到的三维仿真结果直观的呈现给学生，以此将抽象的场的概念、方向图的概念“实物化”。

图3 半波偶极子天线仿真结果

利用HFSS软件建立一个中心频率为3 GHz的半波偶极子天线，天线馈电采用集总端口激励方式，通过仿真分析得到天线的各种性能特性。如图3（a）所示，偶极子天线的中心频率为3 GHz，S11<-10 dB的相对带宽为15.3。从图3（b）S11的Smith圆图看出，在3GHz的归一化阻抗为1，说明天线的端口阻抗匹配良好。

除此之外，HFSS还可以仿真各种微波元件，例如微波滤波器、定向耦合器、微波谐振器等。课后学生可以自己动手进行仿真设计，在实验课上老师再统一讲解。这样把课堂理论教学、课后学习、实验教学有机结合起来，学生更容易在头脑中形成物理概念，更好理解天线的基本参数（如方向图、增益、主瓣宽度等）概念，激发其学习热情和主动性。

3 结束语

本文基于“微波技术与天线”不同的章节内容选择适当的工程软件，通过设置一些教学实例，如Smith圆图、波导和天线，将抽象问题用图形演示展现出来，体现了工科教学的实践性，从而激发了学生的兴趣和学习主动性，起到了较好的教学效果。

［1］王新稳，李延平，李萍.微波技术与天线［M］.北京:电子工业出版社，2011:28-45.

［2］周雪芳，钱胜.仿真软件在《微波技术与天线》实验中的应用［J］.实验科学与技术，2013（3）:37-39.

［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（6）:78-80.

［4］王楠，梁昌洪，苏涛.“微波技术”课程中的探究式教学［J］.电气电子教学学报，2015（1）:87-88.

［5］陈怀琛.MATLAB及在电子信息课程中的应用［M］.北京:电子工业出版社，2002.

［6］李明洋.HFSS天线设计［M］.北京:电子工业出版社，2011: 2-8.

Application of the Engineering Design Software in Microwave Technology and Antenna Teaching

QI Meng
（School of Computer and Information Engineering，Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang 471023，China）

According to the difficulties of microwave technology and antenna course，we put forward a method by the choice to the engineering software based on the simulation platform.And the typical examples are discussed.Practical teaching shows that teaching method can assist the students’comprehension on the theory and application.It also can enhance students’learning interest and enthusiasm，and improve the quality of teaching.

microwave technology and antenna；engineering software；simulation platform；Matlab software

TN015-4；TN820-4；G642

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.053

2015-06-01；修改日期：2015-09-16

齐 萌（1984-），女，硕士，助教，主要从事电磁场和电磁波、微波天线教学工作。