创新创业教育下微波技术课程教学方法探讨

2017-09-20谢泽会赵红梅任海洲

大学教育 2017年8期

谢泽会+赵红梅+任海洲

[摘要]根据高校创新创业教育的需求，结合微波技术课程的特点、重要性及实现的任务目标，基于先进的电磁仿真软件，探讨了该课程理论结合实验的教学方法、教学内容的柔性设置、工程实践及创新能力的培养。

[关键词]创新创业教育；电磁仿真；教学方法；柔性设置；工程实践；创新能力

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）08-0163-03

微波技术已应用到众多高科技领域，如卫星通信、全球定位系统（GPS）、物联网工程、射频识别（RFID）、微波遥感、医疗监控、微电子学、纳米技术、电机科学、雷达等传感器技术乃至生命科学与技术都是以电磁场、微波与射频技术为基础，而现代武器装备信息化更是离不开微波、毫米波这项核心技术的支撑。[1][2]

射频、微波技术所涉及的无线电频谱是甚高频（VHF）到毫米波段很宽范围内的无线电信号的发射及接收设备的工作频率。它的基本理论是经典的电磁场理论。研究电磁场延传输线的传播特性常规有两种方法，一是基于麦克斯韦方程，采用“场”的分析方法求得场量的时空变化规律；另一种是基于基尔霍夫定律，采用“路”的分析方法求得传输线分布参数模型下的电压电流的各种传输特性。[3]

微波、射频技术研究工程的核心问题是折中处理阻抗、功率及频率三者之间的关系。[4]无论采用“场”还是“路”的方法，该课程给人们的印象是抽象的概念和繁琐的公式，采用常规的教学方法收效甚微，并且工程中能够严格求解的问题十分有限，尤其是有源器件、材料、结构和工艺特性，实际中无法严格把握，难以体现在计算过程中。因此微波/射频电路的设计目标就是处理好材料、结构和电路功能的关系，无论哪种分析方法都应由研究的方便程度来确定，而不应拘泥于某一种方法。[5][6][7]而2015年《国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》提出到2020年建立健全课堂教学、自主学习、结合实践、指导帮扶、文化引领融为一体的高校创新创业教育体系。因此本文大胆提出了在基本理论的基础上采用多种工程设计软件如ADS、ANSOFT HFSS、PROTEL等来结合教学，同时根据科技发展柔性设置设置教学内容，并在我校进行了尝试。结果表明，该种方式值得借鉴，已经为我校培养出了多名颇具工程实践经验及创新能力的大学生。

一、理论教学中的实验引入

高校教学改革已经进行了许多年，教育转型下的现状却是专业基础课课时不断被压缩，课堂教学由原来的板书变成了PPT。PPT虽然生动，但在计划学时贫瘠的情况下，该课程仍然难以解决理论深奥难以理解、公式繁多计算复杂的问题。[8]

微波、射频电路的一个基本单元就是LC电路，而阻抗的匹配是电路设计时必须关心的一个重要参数，实际教学中的实验多为测试某一LC电路的端口阻抗，对阻抗匹配的调节我们却无从下手，很多时候是盲目地进行。因此在理论教学中教师可以结合Smith圆图这个重要工具讲清楚匹配的含义，在不匹配的情况下所对应的参数值代表的含义，端口阻抗呈容性还是感性，在同学们的意识里建立一个匹配调节的方向感，然后借助于ADS仿真软件建立一个LC电路，ADS能够对电路中的各参数进行优化，这样我们依据仿真出来的Smith圆图参数值范围改变L或C的值就可以达到阻抗匹配。

图1就是学生根据ADS仿真软件仿真Smith圆图设计出的可适用于高频功率放大器的阻抗匹配电路。假定源阻抗为50Ω，即图中B点，负载阻抗为A点。在Smith圆图中，很清楚地看出A点Q值约为0.8。根据Q值的定义，Q值越高，带宽越窄，反射系数越大，将会导致电路的传输效率低、噪声系数增大、难以实现宽频带。而本实验需要让A点匹配B点，如果选取调整路径ACDEFB，根据这个调整方向，采用一个Π型网络和一个L型网络组合而成，网络包含五个元器件，其中 C1和L1构成一个低通滤波器，而C2和L2构成一个高通滤波器，二者级联构成一个带通滤波器，如图2所示。这种匹配网络用于高频功放中不仅能实现电路功率的最大传输，还能滤除带外的高频和低频干扰。

通过这样的结合既搞清了Smith圆图的真正含义，而且加深了同学们对电路谐振、滤波的理解，为深层次电路的设计打下了基础。

二、基于先进的电磁仿真软件，加强学生对“场”的认识并一步理解电磁场理论

随着微波、毫米波技术日新月异，传统的分析天线回波损耗仿真优化方法已经不能满足工程设计的需要，由此产生了许多先进的电磁仿真软件。ANSOFT HFSS就是一款较为流行的三维专业电磁仿真软件。与ADS相比，HFSS除能夠提供简单可用的建模环境还能为很多较为复杂的微波、射频器件创建结构模型。[9][10][11][12]

图3是以基本圆形单极子微带贴片天线为模型采用HFSS13仿真了该天线在较低和较高频两种不同频率下“场”的变化。不同颜色的深浅变化使学生一眼就能感知不同强度的“场”分布，并且还能动画显示电流的走向，把抽象深奥的电磁场变得明了易懂。

三、柔性设置知识模块，融入“科学研究”的教学思想

在体现行业特色与专业特色及实验学时少的前提下，结合科学技术发展，采取少而精的原则，突出重点和难点，柔性设置知识模块，比如以典型文献作为主要教学内容，对课程数量和内容上做相应的集成与优化。教学时能够同时融入科学研究的思想，从而培养了学生的实践能力和创新能力。

比如微带天线的设计虽然有指导公式，但一般能计算出辐射特性的形状是有限的，实际设计时只能根据理论经验公式初步计算出天线的尺寸，然后再建模仿真，根据仿真结果反复调整其尺寸，直到各参数满足要求为止，因此教师在讲清楚原理依据及经验公式后，可以采用一至两篇典型的文献或提供一个设计模型作为案例进行讲解，给学生提供一定的设计思路及经验，然后让学生分组课下进行交流再试着建模仿真调试制作。endprint

以超宽带微带天线为例，小型化超宽带天线现在是业界研究的热点，而天线小型化的宗旨则是在不增加体积的前提下增加电流的有效路径，从而降低频率改善阻抗带宽。

从图3场强分布可以观察到无论在低频还是高频，圆形辐射贴片顶部电流分布较弱，且几乎沿贴片轴向对称，于是试着考虑可以在顶部开槽对磁场强度影响不大，且开槽还能改变电流的流向，于是开一扇形槽进一步增加电流的有效路径[13][14]，如图4所示。

图5是用HFSS13仿真了辐射贴片顶部开不同大小的扇形槽天线回波损耗S11的变化。α=0°时对应没开扇形槽，显然此时工作带宽只有低频段近5.3GHZ；随着扇形圆心角的增大，开槽面积增加，α=30°时虽然带宽展宽了很多，但在9.2GHz附近出现了近1GHz的阻带；α再增大阻带范围再增大，但当α=120°时阻带消失且高频特性也得到了改善，此时对应的阻抗带宽为1.41GHz-28.5GHz，继续增大α多个阻带会再次出现。

经过仿真优化，最终得到天线各参数如下：L=W=22mm，L1=W1=16.8mm，L2=6.31mm，W2=2mm，R=5.05mm，α=120°。

图6是教师在讲清原理的基础上，强调思路、方法及设计过程，指导学生如何选取合适的器件、介质板材，画PCB图，并采用FR4板加工焊接制作出一款小型化超宽带天线。在该过程中，学生不仅能对基本原理、基本元件有更深的理解与认识，同时还要考虑到电路之间的干扰如何避免，分布电容、分布电感对电路的影响，电源及地线的干扰等等。这个过程虽然有一定难度，但通过教师的指导及学生之间的交流探讨，学生学习的兴趣越来越高，更易激起其自主研究的浓厚兴趣。而实物的研制及调试则进一步锻炼了他们的综合实践能力。

四、结束语

结合我国高校创新创业教育的需求，针对微波/射频技术课程重要性及教学中存在的问题，提出理论实践相结合并柔性设置教学内容，采用满足时代需求的技术文献及工具作为教学手段及方法，有效地提高了学生的学习效率并极大地激起了探究兴趣，培养了创新意识及创新能力，为培养具有较强工程实践能力及创新能力的大学生打下了基础。

[ 参考文献 ]

[1] 彭沛夫，张桂芳.微波与射频技术[M].北京：清华大学出版社，2013.

[2] JosephFWhite著，李秀萍译.射频与微波工程实践导论[M].北京：电子工业出版社，2009.

[3] 杨儒贵.电磁场与电磁波[M].北京：高等教育出版社，2007.

[4] 雷振亚.射频微波电路导论[M].西安：西安电子科技大学出版社，2005.

[5] 黄冶，张建华，戴剑华.电磁仿真在“场”类实验教学中的应用[J].实验室研究与探索，2012（4）：322-326.

[6] 金桂，王焕友，黄健全.工程电磁场课程教学改革与实践[J].中国现代教育装备，2015（217）：90-92.

[7] 赵同刚，赵安新，陈讯.电磁场与微波技术实验教学改革和探索[J].北京邮电大学学报，2015（3）：102-105.

[8] 周宏威，张少如，黄晓舟，等.电磁场课程理论及实践教学改革[J].实验室研究与探索，2013（8）：371-374.

[9] 涂冶红，谢泽明，褚庆昕，等.“射频電路与天线”创新性实验[J].实验室研究与探索，2011（4）：74-76.

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

[11] 谢泽明.“射频电路与天线”课程研究性教学[J].电气电子学报，2009（5）：24-25.