基于HFSS的微波技术与天线课程教学实践与探索

姜沛 惠明 张帅

摘要：为了激发学生的学习兴趣，使学生更直观地理解微波天线的基本知识、基本原理，提高微波技术与天线课程教学质量，提出将电磁仿真软件HFSS引入到课堂教学中。以基于新型的基片集成间隙波导的缝隙天线为例，采用HFSS对其进行优化设计和仿真研究，对天线的关键参数和辐射特性进行了分析，将抽象的天线理论转化为图形演示，重点展示了HFSS辅助教学的直观可视化特点。教学实践证明，这种方法提高了学生的学习积极性，具有可行性和有效性。

关键词：HFSS;电磁仿真;微波技术;天线;教学实践

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）26-0215-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Teaching Practice and Exploration of Microwave Technology and Antenna Course based on HFSS

JIANG Pei， HUI Ming， ZHANG Shuai

（College of Physics & Electronic Engineering， Nanyang Normal University， Nanyang 473061， China）

Abstract： In order to stimulate students' interest in learning， and make students understand the basic knowledge and principle of microwave antenna more intuitively， and improve the teaching quality of microwave technology and antenna course， the electromagnetic simulation software HFSS is introduced into the classroom teaching. Taking a slot antenna based on substrate integrated gap waveguide as an example， it is optimized and simulated using HFSS. The key parameters and radiation characteristics of the antenna are analyzed. The abstract antenna theory is transformed into a graphical demonstration. The visual characteristics of HFSS assisted teaching are emphasized. The teaching practice has proved that this method， which can improve students' learning enthusiasm， is feasible and effective.

Key words： HFSS; electromagnetic simulation; microwave technology; antenna; teaching practice

1 引言

“微波技術与天线”是电子信息类专业必修课程之一。该课程内容涵盖传输线理论、微波网络基础、微波元器件和天线理论等，具有较强的理论性和实践性[1]。在工程上，微波技术是分析设计天线、滤波器、定向耦合器等微波元器件的基础，天线是无线通信系统不可或缺的组成部分[2]，是能量从有线传输到无线传输过渡的桥梁。因此，学好该课程对于电子信息类专业的学生具有十分重要的意义。

2 课程特点及存在的挑战

该课程专业性强，先修课程比较多，要求有较好的数学基础。抽象性强，公式繁多且复杂，且物理概念不容易理解[3]。时效性强，与实际的工程问题息息相关，要求老师关注最新学科前沿，以保持课程的新颖性。从而造成了学生难学、教师难教的局面。

开设相应的实验课程可有效改善上述问题，也符合我校“应用型区域高水平大学”建设目标的要求。通过实验课程，学生既可以深入理解课堂理论教学内容，又能锻炼应用理论知识解决实际问题的能力。但是实验课程的开设存在一定困难，因为除了基本的仪器设备外，还需要配备矢量网络分析仪、微波暗室等硬件设施，这些都需要投入大量的资金。而且仪器的操作比较复杂，操作不当还可能带来较大的经济损失[4]。

随着射频微波电路仿真技术的发展，已有越来越多成功的教学案例将仿真软件应用到微波技术与天线课程的教学中。仿真实验课程是学校在专业人才培养和资金控制方面的良好折中，是一种效果非常好的教学方法[5]。为此，本文将常用的电磁场仿真软件HFSS应用到微波天线的课堂教学中，为学生构建直观性的学习情景。紧贴科技前沿，以基于新型的基片集成间隙波导的缝隙天线为例，通过创建天线模型，详细分析天线关键参数，使学生深入、透彻地理解天线的基本理论。

3 基于HFSS的基片集成间隙波导缝隙天线分析

天线理论是抽象的，电磁场是看不见摸不着的，学生很难建立直观的认识。利用电磁仿真软件为学生构建开放的学习环境，提供更多获取知识的途径和更好地综合运用于实践的环境，可以形象地呈现出抽象的天线结构及电磁场，便于学生观察和分析[6]，从而改变传统的以教师、课堂和书本为中心的教学状况。下面以基片集成间隙波导缝隙天线为例，通过HFSS仿真，直观地呈现出天线的特性，并分析其关键信息。