运用ADS辅助电磁场与微波技术教学研究

高山山

(成都大学 信息科学与工程学院，四川 成都 610106)

运用ADS辅助电磁场与微波技术教学研究

高山山

(成都大学 信息科学与工程学院，四川 成都 610106)

电磁场与微波技术是电子信息学科及相关领域专业的重要专业基础课之一。针对该课程中微波网络的相关理论知识，以基于微带线结构的两端口微带双模带通滤波器为例，引入电磁仿真软件ADS对该滤波器进行相关的仿真设计及研究，帮助学生更加清楚地理解微波网络的相关理论知识，将微波网络理论与工程实际相结合，以达到更好的教学效果，提高学生的工程实践能力。

电磁场；微波技术；ADS仿真软件；仿真；微波网络

电磁场与微波技术课程是高等院校电子信息学科及相关领域专业的重要专业基础课，其中，矢量分析、电场、磁场、时变电磁场、电磁波、传输线、微波网络、微波元件等教学内容都是教学的重点和难点[1-6]。本课程的教学中，教师必须在有限的课堂教学时间中，利用数学分析方法讲解基础知识，通过学生课余时间的强化学习，让学生掌握本课程的重点内容，为学习好移动通信等后续专业课程奠定基础。

由于电磁场与微波技术具有理论性强、概念较抽象等特点，学生在学习中，不仅需要丰富的大学物理和高等数学等学科知识储备，掌握数学物理方法，还需要具备较强的逻辑思维能力，这导致学生普遍反映该课程学习难度大，课堂学习效果不好。如何有效提高教学效果是教师必须思考和解决的教学难点。“授之以鱼不如授之以渔”，教师必须改变填鸭式教学方式，通过现代科技手段的运用，使书面的理论形象化，抽象的物理过程直观化，从而激发学生的学习兴趣，提高其自主学习能力和创造力。在电子信息学科及相关领域专业课程教学中，除了通过让学生在实验室利用实验仪器进行学习外，运用仿真分析软件开展辅助教学也是比较好的方式。在运用仿真软件开展教学方面，很多教师进行了积极的探索，如湘南学院黄健全等将HFSS仿真应用在电磁场与电磁波教学中，取得了较好效果[7]。

1 开展仿真软件辅助教学方案

在教学过程中引入计算机仿真软件开展辅助教学，具体方案有以下3个方面。

1.1 课前准备环节

1)按照教学大纲，确定开展仿真分析的课程内容。

2)针对重点、难点内容设计实例。一般在微波网络教学等方面引入仿真软件辅助教学效果最好。

3)在课前准备好仿真模型。由于课堂时间限制，一般采用简单模型。

1.2 教学环节

1)教学过程组织方式。

利用仿真软件辅助教学有以下两种组织方式。

①先由教师对学习内容进行理论讲解，让学生对所学内容有理性认识，再使用仿真软件进行仿真分析，引导学生对比分析结果。这种方式的优点在于不影响理论知识的系统性和连贯性。一般在教学内容中知识点相互结合比较密切时，或者使用仿真软件开展辅助教学的初期采用此方式。

②讲解理论知识和使用仿真软件辅助教学同步进行，教师每讲解完一个知识点后，立即使用仿真软件进行仿真分析，加深学生对知识点的认识。这种方式的优点在于可以提高仿真分析的时效性，有利于学生即时掌握理论知识点。一般在教学内容中仅需要对部分知识点开展辅助教学时采用此种方式。

2)辅助教学操作方式。

利用仿真软件辅助教学时，一般使用教室多媒体播放系统，由教师动手操作计算机，将仿真软件操作过程展示在教室主显示屏上，并引导学生观察仿真分析过程和结果。

1.3 注意事项

1)开展仿真软件辅助教学，教学内容的确定非常重要，要实现好的教学效果，应注意以下两点。

①仿真分析的直观性。选择的教学内容应具备运用仿真软件开展分析的条件，使学生建立起理论知识、仿真模型和仿真分析结果的直观联系。

②仿真分析的可对比性。应发挥仿真软件参数调整的数字化特点，通过在仿真过程中输入不同参数，形成不同仿真计算结果图，引导学生结合理论知识对比分析仿真计算结果，深化对理论知识的理解。

2)由于仿真软件与实验设备相比，存在使用成本低、环境要求不高的特点，学生一旦掌握了基本的使用方法，就可以利用课余时间自行学习和使用软件，并通过软件帮助理解教材内容，增强学习效果。在课堂教学中，由于时间有限，教师只需结合仿真分析过程，简单介绍仿真软件基本操作，包括定性分析和定量计算及对计算结果的分析和研究，不需对软件本身进行详细讲解，也不要求学生通过课堂学习来全面掌握软件功能或实际操作软件。

2 微波网络理论仿真辅助教学实例

本文以微波网络理论教学为实例，引入滤波器仿真设计，通过教师向学生展示利用电磁仿真软件ADS对微带双模带通滤波器进行仿真设计与分析的过程，使抽象的理论具体化和形象化，帮助学生更加清楚地理解微波网络的相关理论知识；同时，让学生对ADS仿真软件有初步的认识，帮助学生建立起运用ADS仿真软件学习电磁场与微波技术的理念，以利于在今后的学习中运用仿真软件进行一些实际的工程设计与分析；通过理论与工程实际相结合，提高学生的学习和研究应用能力。

ADS电磁仿真软件，是美国安捷伦公司研制的一款电子设计自动化软件，可以进行时域/频域电路仿真、三维电磁仿真、通信系统仿真和数字信号处理仿真设计，是使用较广泛的微波/射频电路和通信系统仿真软件。

2.1 介绍微波元件分析方法

微波元件是微波系统的重要组成部分，根据端口的数目可以将微波元件分为单端口、双端口及多端口。微波元件的分析方法有以下两种：1)基于麦克斯韦方程组及边界条件分析元件内部场分布的电磁场理论分析法；2)把微波元件等效为微波网络，用微波网络参量来描述微波元件特性的网络分析法。方法1)以电磁场理论为基础，较为严格，但在实际的工程应用中，用此方法来分析一些复杂的微波元件时，完整准确地求解电磁场方程极其困难。方法2)主要研究微波网络各端口的问题，从而得到微波元件的特性，此方法虽然不能得到微波元件内部电磁场的分布情况，但其避免了庞大的数学计算，此外，采用矢量网络分析仪可以直接测量微波网络各个端口的参量，因而此方法便于实际的工程应用[8]。

2.2 讲解双端口微波网络理论

双端口元件在微波系统中具有较为广泛的应用，如连接元件、滤波器、相移器、同轴波导转换等，其网络结构如图1所示。图中Es为激励源，Z01和Z02为端阻抗，V1和I1为1端口处的电压和电流，V2和I2为2端口处的电压和电流。当1端口处的正弦电压为[9]：

图1 双端口网络参数示意图

(1)

则V1可定义为：

V1=|V1|ejφ

(2)

由于在微波频段难以测量电压和电流，因此引入了波变量a1、b1、a2、b2，其中a代表入射波，b代表反射波。波变量与端口电压、电流之间的关系式可以表示为：

n=1，2

(3)

或者

(4)

2.3 讲解双端口微波网络参量

双端口网络参考面上的电压和电流之间的关系可以用阻抗参量及导纳参量来描述，参考面上入射波和反射波之间的关系可以用散射参量来描述，各个参量之间可以进行相互转换。

1)阻抗矩阵。双端口网络的阻抗矩阵与端口上的电压、电流关系为：

(5)

简写为：

[V]=[Z][I]

(6)

式中：[Z]为阻抗矩阵；Zii(i=1，2)表示其余各端口开路时，i端口电压Vi与i端口电流Ii的比值，即i端口的自阻抗；Zij(i、j=1，2，i≠j)表示其余各端口开路时，j端口加电流Ij，i端口电压Vi与j端口电流Ij的比值，即i端口与j端口的互阻抗。

2)导纳矩阵。双端口网络的导纳矩阵与端口上的电压、电流关系为：

(7)

简写为：

[I]=[Y][V]

(8)

式中：[Y]为导纳矩阵；Yii(i=1，2)表示其余各端口短路时，i端口电流Ii与i端口电压Vi的比值，即i端口的自导纳；Yij(i、j=1，2，i≠j)表示其余各端口短路时，j端口加电压Vj，i端口电流Ii与j端口电压Vj的比值，即i端口与j端口的互导纳。

3)散射矩阵。在微波系统中，散射参量可以通过矢量网络分析仪直接进行测量，因此，双端口网络的散射矩阵在实际工程中应用得较多。双端口网络的S参数用波变量表示为：

(9)

式中：an=0(n=1，2)表示在n端口阻抗匹配；S11表示2端口匹配时，1端口的反射系数；S12表示1端口匹配时，由2端口到1端口的传输系数；S22表示1端口匹配时，2端口的反射系数；S21表示2端口匹配时，由1端口到2端口的传输系数。上述定义可以表示为矩阵形式：

(10)

式中，S11和S22为反射系数，S12和S21为传输系数。

3 运用ADS软件开展辅助教学

微带带通滤波器是典型的双端口元件，平面结构的微带双模带通滤波器以其结构紧凑、高性能等诸多特点在微波带通滤波器中得到了广泛的应用，以微带双模带通滤波器为教学实例，不仅可以让学生对微波网络理论有更加清楚的认识，还可以让学生对电磁场与微波技术课程的实际工程应用有一定的了解。

3.1 引导学生观察仿真模型

教学中，为增强演示效果，采用图2所示的微带双模带通滤波器的结构[10-13]。引导学生观察该滤波器特点，并与双端口网络参数示意图进行对比说明，深化学生对双端口元件知识点的理解，形象地认识到该双模带通滤波器是由环形结构的谐振器和馈线结构组合而成，环形谐振器的每边边长均为λg/4，谐振器右上角的正方形贴片为微扰结构，其作用是控制两个模的位置。

图2 微带双模带通滤波器模型

3.2 指导学生分析仿真结果

在教学中，选用相对介电常数εr=9.6，介质板厚度h=0.8 mm的介质基片材料，双模带通滤波器的工作频率设定在2.1 GHz，通过ADS仿真软件仿真计算得到的S参数，如图3所示。

(a)S11图

(b)S21图图3 仿真计算结果

在实际的教学中，还可以通过改变环内小正方形贴片即微扰结构的尺寸，让学生观察S参数随之改变的情况，可以让学生对S参数这一难点有更直观的认识。

3.3 仿真软件辅助教学的效果

4 结束语

将ADS仿真设计应用于电磁场与微波技术的课程教学中，不仅可以让学生对课本上的理论知识有更加深刻的认识，改善课堂教学效果，还可以使学生熟悉微波仿真软件的基本用法，培养学生的工程实践能力，为今后进一步学习后续课程及从事相关领域的工作打下坚实的基础。

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ResearchontheTeachingMethodofUsingtheADSSimulationinElectromagneticFieldandMicrowaveTechnologyTeaching

GAO Shanshan

(School of Information Science and Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，China)

The electromagnetic field and microwave technology is one of the most important professional basic courses in the field of electronic information and related fields.In this paper，the electromagnetic simulation software ADS is introduced to simulate two ports microstrip dual-mode bandpass filter which based on the related theory of microwave network.It can help the students understand the relevant theory of microwave network more clearly and improve the engineering practical ability of the students and achieve better teaching effect.

electromagnetic field;microwave technology;ADS simulation software;simulation;microwave network

2016-01-15；修改日期:2016-02-24

四川省教育厅科研项目(15ZB0387)。

高山山(1982-)，女，博士，副教授，主要从事微波毫米波元器件方面的研究工作。

TN015；G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.017