“微波技术与天线”课程教学探讨

平学伟　李黎　殷兴辉

摘要：“微波技术与天线”是通信、电子、微波等专业的主干专业课程。该课程内容抽象、工程性强、数学公式多、难教难学。本文根据作者教学经验，针对课程特点，对学习方法、教学手段等方面提出了一些微薄的建议。

关键词：微波技术；天线；教学方法

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）17-0197-02

一、引言

“微波技术与天线”是大学本科通信类专业的一门主干课程，主要内容包括微波传输线方程、微波网络基础、常用微波元器件、各类天线的工作原理与特性分析等。在很多高校的通信、微波、电子工程等专业，均将“微波技术与天线”设为必修课程。在一些高校的微波专业，将该课程分为“微波技术基础”与“天线与电波传播”两门必修课程上，可见该课程的重要性。在工程上，微波技术也是分析、设计天线、滤波器、定向耦合器等电子元器件的基础，而天线更是无线电设备必不可少的部件之一。因此，该课程对于通信类专业的学生具有十分重要的意义。但是在本人的教学实践过程中，发现大部分学生对该课程的学习存在一定的困难。下面从该课程的特点入手，探讨该课程的学习与教学方法。

二、课程特点

“微波技术与天线”课程的特点之一是专业性强。在内容上，“微波技术与天线”课程用到了“电磁场与电磁波”的知识，除此之外，还用到了大量的高等数学知识。因此，在课程安排上，一般高校里“微波技术与天线”的学习是放在大三上学期或下学期，上过“高等数学”、“矢量分析与场论”、“电磁场与电磁波”等课程之后。“电磁场与电磁波”课程本身是通信专业比较难学的课程之一。而“微波技术与天线”是基于“电磁场与电磁波”之上，也是比较难学的一门课程。因此，在上“微波技术与天线”课程的时候，对用到的一些知识点要做一些回顾，必要时对公式进行一下推导，便于学生更好地理解。学生在上课之前，最好能对涉及的“电磁场与电磁波”或者高等数学知识进行必要的复习。

“微波技术与天线”课程的另一个特点是具有很强的抽象性。公式繁多且复杂，且物理概念不容易理解。拿传输线问题来说，在传统的低频电路问题中，电阻、电感、电容等集总参数能够很好地表示各个元器件的物理性质，分析起来很容易理解。而微波传输线问题不同。在传输线上，真正有意义的实际上是电磁场。为了对微波问题进行精确分析，需要根据边界条件求解麦克斯韦方程，从而得到整个空间的电磁场分布，并根据场来分析微波器件的电磁特性。但是这种求解电磁场的方法非常的复杂，而且不直观。为了分析方便，往往采用化场为路的方法。所谓的“化场为路”方法，是借用低频电路里的概念，把传输线的电磁特性用电压、电流、阻抗、导纳等分布参数来等效。根据分布参数建立传输线方程，求出导线上每一点处的电压、电流的分布，进而分析传输线的阻抗、反射系数及驻波比等传输特性。因为高频电路与低频电路有很大的区别，这在带来简便的同时，会给初学者带来很大的困惑。在学习该课程时我们始终要谨记一点，传输线上的电压、电流、阻抗、导纳等参数都是等效的概念，是没有实际的物理意义的，只是为了描述问题方便而引入的物理量而已，因此不必过度纠结这些参数的含义。真正有意义的是功率、反射系数、S参数等物理量。同样，对天线的阻抗也是为了方便分析辐射功率而人为引入的物理量，与传统的阻抗是有区别的。

“微波技术与天线”课程的第三个特点是具有很强的工程性。课程中的所有方法都是为了方便解决实际的工程问题。而且课程中所涉及的各种微波传输线、天线等都是实际工程中常用的，如同轴线在各种微波实验、有线电视、闭路监控系中都有应用，波导应用在雷达、基站、抛物面天线等功率较高的场合，天线的应用更是不胜枚举，是微波设备的基础部件，在手机、电视、电脑等日常电子设备上面有会使用。该课程的这一特点，决定了课程本身具有很强的时效性。微波技术与天线是一门快速发展的学科。在工程中，往往会出现很多新结构、新材料，例如等离子天线等。同时学校的教材由于种种限制，不可能很及时的体现微波技术与天线的最新学科前沿。因此授课老师要注意在该课程教学中人为的引入一些工程中的最新进展，保持课程的新颖性。

三、教学方法探讨

1.多種教学方式相结合。微波技术与天线在通信课程里是一个十分抽象而且枯燥的课程。不但涉及大量复杂的数学公式，更涉及很多的抽象物理概念与物理结构。靠单一的教学手段很难对各个知识点做到系统的讲解。因此最好采用多媒体教学与板书相结合的方法。对于大量数学公式的推导，例如电压传输线方程，偶极子天线在空间的场分布公式，等等，如果采用多媒体教学，仅仅将结果或者推导过程列在幻灯片上，而省略了现场推导的过程，则学生很难对该公式具有深刻的理解，进而会影响学生对该微波元件工作机理的理解。这时候传统的板书教学方法则是很好的教学方式。将公式写下来一步步推导，最终得出最后的结论。这样可以加深学生对公式的理解。而很多微带线或天线的内部结构，或者为元器件周围的电磁场分布形状，靠板书的话不但费事费力，而且不够形象。而且课本上的内容由于篇幅、颜色、分辨率等限制，也不可能对每个结构的细节做到很好的描述。这时候采用多媒体能够带来很大的方便。多媒体教学信息量大、呈现方式多、形象直观，学生可多角度地观察对象。一些复杂的物理结构，可以很真实地采用多媒体呈现出来。传输线上的场分布或者波导里的电磁波传输方式，也可以通过多媒体动态展示出来，从而能够加深学生的印象，而且能够给教师带来极大的方便。

2.理论与实验相结合。“微波技术与天线”课程的特点之一工程性强。这一特点要求在讲授课程的过程中，将书本上的理论与实际的工程问题结合起来。在讲到具体的微波器件时，可以在课堂上向学生展示一下具体的微波器件实物。这样既增强学生的学习兴趣，同时能加深学生对该元器件的了解。同时尽量在上课的同时能够多做实验，从而使学生对书本上的知识点能够有直观深刻的了解。目前河海大学在2.5学分的理论课之外安排了0.5学分的实验课。课程安排在微波传输线部分内容结束之后。实验内容是基于YM3000三厘米波导测试系统的各种微波实验，包括频率、波导波长测量；反射系数与电压驻波比的测量；阻抗测量；微波网络的S参数等内容。通过实验课程，学生可以更好地了解实验平台的搭建，信号发生器、频率计、选频放大器等微波元器件的使用方法，并且使学生对于各种微波参数的测量、微波传输中的各种物理现象有了更直观的了解。例如：在做频率与波长测量的实验时，信号源输出频率为10GHz左右的电磁波，在3厘米波导系统终端分别接铜板、匹配负载时，在测量线上移动测量探针，选频放大器上的读数变化具有不同的规律。接匹配负载时，移动探针则选频放大器上的读数无变化。在接铜板时，相当于终端短路，在测量线上移动探针，则仪表读数从最小到最大来回的摆动。这时可以从物理概念上讲解这种现象产生的原因，从而可以使学生直观了解行波与方波的特性，以及匹配负载以及短路负载的概念。

3.一些改进措施。虽然分析微波与天线问题通常采用化场为路的方法，但是这两种问题分析的基础是麦克斯韦方程。要想对课程中的一些概念具有深刻的了解，必须熟悉电磁波在微波元件内及周围空间的传播机理。但是即使对于最简单的结构，求解该偏微分方程组过程也非常的复杂。除此之外，电磁场是三维矢量场，需要较好的空间想象能力。因此学生在理解微波器件工作机理时普遍存在一定的困难。在接下来的教学中，拟在课程中引入仿真实验的方法，让学生在业余时间做一些仿真实验。例如：利用ANSYS软件仿真各种微波传输线的电磁特性。这样可以不但能够使学生加深对物理原理的理解，而且能更好的培养学生在使用仿真软件方面的技能。

四、小结

教学改革是一个不断积累、不断探索、逐步完善的过程。通过这几年的微波技术与天线教学，虽然付出不少，但也积累了一些宝贵的经验。通过在教学中不断摸索，不断总结，不但提升了自己的教学水平，也激发了学生的学习兴趣。当然，在教学过程中难免还有许多不足之处，在今后的教学中，教学方法还需继续加以完善。

参考文献：

[1]王新稳，李延平，李萍.微波技术与天线[M].第4版.北京：电子工业出版社，2016.

[2]闫润卿，李英惠.微波技术基础[M].第4版.北京理工大学出版社，2011.

[3]宋铮，张建华，黄冶.天线与电波传播[M].第3版.西安电子科技大学出版社，2016.