微波技术基础本科教学改革

段俊萍　秦丽　张斌珍

摘要：微波技术在空中雷达、导航等领域发展迅速，对于本科教学来说，微波技术基础的实践教学却远远滞后于微波通信科学技术研究的发展。如何使科研能更好地服务于微波技术课程的本科教学，成为我们对微波技术本科实践环节改革的重要研究内容，首先对微波测量系统的硬件平台实验进行了改革，增加了测量系统实验平台、网络分析仪，同时增加了科研设备操作测试环节；在实验中引入微波射频仿真软件CST、HFSS，提高了学生的微波设计与分析能力。

关键词：微波技术；教学改革；HFSS仿真

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）05-0135-02

一、引言

随着国际通信技术的快速发展，通信技术在雷达和导航的应用要求也越来越高，因此微波技术的教育理念也得到了快速更新。国家通信技术水平的高低直接影响国家的整体发展水平，因此微波技术的教学发展对高等教育来说有着举足轻重的作用[1-2]。

随着国内信息技术实力的日益提高，科学研究所需的世界先进的设备已经逐渐到达科研第一线，科技理念也逐渐深入到一线的科研人员的脑海中，国内关于微波通信技术和系统的科学研究、研究生教育已经逐渐赶上发达国家的步伐，但由于微波通信设备的价格昂贵，对于本科教学来说实验条件相对缺乏，这使得在大多地区的高等学校本科教学的实践环节不能紧随科学科研的发展，如何通过科研平台让学生了解专业的发展动态、提高学生的学习兴趣、使其更好地掌握复杂的理论与计算分析，逐步提高实践动手能力，加大实践环节成为高等学校专业教学改革的重点。

“微波技术基础”课程是电子信息类本科及研究生的专业重点课程之一，由于电磁场理论公式繁多，概念抽象，讲授过程中电磁波难以想象和理解。微波技术基础课程教学过程大都以理论讲授为主，很难通过课堂理论知识的讲授来提高学生的学习兴趣[3-4]。如何加深学生对微波传输理论及微波器件性能知识的理解，培养学生具备从事天线、微波器件的设计、开发和工程应用能力，如何让学生用设计与仿真、加工、测试等手段和方法研究微波技术基础，这些在微波技术基础课程的实践环节显得尤为重要。

二、存在的问题

传统微波技术基础的教学模式大都比较单一，板书所占课时的比重较大。部分教师用丰富多彩的多媒体式教学将微波的传输过程等通过动画的方式向同学们演示，提高学生对基础知识的理解。这两种方法都能较好地向学生讲述微波的基本知识、概念以及基本参数的设计与计算。但由于微波技术课程内容大多比较抽象，在传输理论等方面还需要寻求更好的方法来解决。

三、微波技术基础课程改革与实施方案

随着通信技术的快速发展，微波射频电路更加模块化、功能化，理论计算已经很难通过简单计算得到，因此多个微波器件的互联系统更多地依靠软件设计完成。本文的改革内容就是在微波技术理论基础上对微波技术课程的实践实验教学进行了改革探索。改革的目的就是培养学生分析问题、解决实际设计与制作、测试及数据分析等问题的能力，为今后从事微波理论研究、微波通信设备的研发和微波电路设计等工作打下坚实的基础。具体改革内容从以下四个方面来分析。

1.搭建微波系统测试平台，将标准信号发生器、微波频率计、检波器、功率计、耦合器等器件组成波导测试系统。通过课堂理论教学对微波技术的有关理论知识的学习，结合测试平台的实践操作，深刻理解微波测量系统的工作原理、熟悉使用和操作微波信号源的方法，可以通过调节微波测量系统测量微波信号电场的振幅。了解相关系统使用微波仪器仪表，微波元器件的内部结构、材质、原理，理解和掌握微波频率的测量方法。通过实际动手操作，让学生更好地理解各种微波器件在微波测量中的作用。

2.微波器件模型的分析与设计。微波技术在工程中应用非常广泛，学生通过理论教学的学习，掌握器件的基本设计方法，通过理论计算得到模型的尺寸后，首先通过CST、HFSS等射频软件的学习，掌握传输线、微带线、滤波器、天线的基本设计知识，通过对简单的腔体微波器件进行设计与制备，加深理解各参数对器件性能的影响；软件将电磁波的三维场分布图、电力线分布、磁力线及传播过程都用彩色动态演示展现出来，使得抽象的电磁学知识更加形象化，将看不见、摸不着的电磁场变成形象可见的三维动画。该仿真实验使教师的理论教学更易于被学生理解，使学生对实验内容涉及的微波传输理论有一个全面深入的理解，有助于提高学生的动手操作能力。如此，学生通过自己的分析与设计，循序渐进的理解微波理论和繁琐的公式，可以很好地理解计算公式的应用[5]。

3.微波器件模型求解与分析。HFSS软件会对模型进行分析，最后得到S参数、电场分布情况、磁场分部情况和动态传输过程，通过不同结构的对比就可以很容易地分析出所设计结构的问题所在。通过分析，可以让学生很直观地看到不同结构的磁场分布情况，有利于教师进一步分析课本磁场分布定律等[6]。

4.器件的加工与测试。微波器件结构设计结束后，通过对加工方式进行分析，确定加工工艺流程，让学生参与加工过程，通过加工过程中金属层的材料选择和厚度等，深入理解肌肤效应及电导率对电磁传输特性的影响情况，通过快速制作过程，让学生了解简单器件的制备过程，消除学生的神秘感。对加工好的器件进行测试，深入了解微波端口网络的具体含义，通过微波测试设备的使用，使學生更清楚地了解微波端口网络的真正含义[7]。

通过多方面的实践过程，学生能更深入理解学习微波的重要性。通过动手，提高学生的学习兴趣，理论与实践相结合，使学生更轻松地理解难于理解的电磁概念、设计原理等，大大提高了微波技术基础课程的学习效率。

四、教学实施及效果分析

微波技术课程被认为是专业课程中比较难教、更难学的课程，而且内容丰富，涉及范围广、课时还较少。通过多方面实践教学能力的改革，有助于提高学生对课堂讲授内容的理解和分析，提高学生学习微波技术以及通信技术的兴趣，在实践教学中利用多种先进的微波射频仿真软件，吸引更多的学生到微波技术专业进行继续深造，大力培养微波技术专业方向的专业人才，同时也满足了学生的就业要求。

五、总结

随着通信、雷达技术的快速发展，对通信与信息类的毕业生提出了更高、更多、更难的要求，同时也对高等院校的微波技术基础教学改革指明了新的方向。通过实践教学的改革，把平台搭建、专业设计软件、微波测试设备的使用、加工工艺等加入教学实践环节，提高学生的在理论基础上的实验动手能力和工程设计能力，同时培养学生先进的科技创新能力，激发他们在微波传输方面的想象力，打牢微波技术基础理论知识，紧随国际信息发展动态，拓宽学术视野，有望成为高质量的微波技术工程技术专业人才，推动国内微波雷达等信息专业的科技创新。

参考文献：

[1]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，（8）：108-109.

[2]仲伟志.“微波技术与天线”课程的教学改革研究[J].黑龙江科技信息，2012，（26）：185-185.

[3]黎鹏，周桐，高翔，高云霞.“电磁场与微波实验”教学改革思考与探索[J].中国电力教育，2014，（36）：182-183.

[4]徐兴，俞龙，王卫星.“微波技术”课程实验建设探索[J].中国科教创新导刊，2010，（7）：167-167.

[5]李淑娟，童艳荣，陈振元.HFSS技术在微波实验中的应用研究[J].大学物理实验，2010，30（1）：12-15.

[6]李明洋.HFSS电磁仿真设计应用详解[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[7]贾建科，聂翔，韩团军.微波技术课程实践教学改革的探索[J].中国电力教育，2012，（5）：75-75.