“新工科”背景下电磁场与电磁波实验课程的教学创新设计

马 力 董 敏 王鹏騛 李瑞阳

（郑州大学电气与信息工程学院，河南 郑州 450000）

1 引言

自2017年2月以来，教育部积极推进“新工科”建设，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设，旨在培养实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才[2,3]。在新工科的背景下，对高等教育创新能力和解决复杂工程问题的能力提出了更高的要求。

电磁场与电磁波课程作为电子信息类和通信工程类专业的专业核心课程，其课程特点是用数学方法诠释物理现象，理论性偏强，所以学生往往会出现畏难情绪。现有的实验教学内容多是利用实验设备进行的验证性测试，强调的是学生测量技能的训练和理论的验证，学生往往是机械、被动地重复。为了调动学生学习的积极性，取得更好的教学效果，多所高校在电磁场与电磁波课程的教学方法和实验内容等方面做出了积极的探索与实践[4-7]。

在新工科的背景下，为了培养学生的创新能力和解决复杂工程问题的能力，基于学生对应用实例和实验现象更感兴趣的特点，在实验教学中引入HFSS电磁仿真内容[8-10]，一方面让学生掌握HFSS电磁仿真软件的设计和仿真过程，有效提升学生的应用能力、创新能力、分析问题与解决问题的能力；另一方面使学生从理论到仿真设计，从数学推导到可视化感受，让学生多维度感受理论所学与实际所用之间的紧密关系。

本文提出将HFSS电磁仿真内容引入电磁场与电磁波的实验教学中，通过学生对理论授课中熟悉的偶极子天线结构进行结构创新设计和微带设计，加深学生对天线性能参数的理解，提高了学生对电磁场与电磁波课程学习的兴趣，对培养学生的解决复杂工程问题的能力和科研思维大有裨益。

2 偶极子天线理论分析

偶极子天线是无线通信中使用最早、结构最简单、应用最广泛的一类天线。由于实际的天线可看成是许多电偶极子天线的串联组合，所以偶极子天线常常作为电磁场与电磁波教材的授课实例被重点讲授[11]。

在电磁场与电磁波的教学过程中，偶极子天线因其结构简单，往往作为仿真案例引入到理论和实验课程中，如图1（a）所示是偶极子天线的电磁模型，图1（b）所示是偶极子天线的三维方向图。

图1 偶极子天线仿真图

3 偶极子天线的结构创新设计

偶极子天线的结构简单，但是方向图随电长度而变化，当频率固定时，天线的尺寸随定向性能提高而变大。为了实现小型化，让学生在掌握偶极子天线理论知识的基础上，尝试利用HFSS软件对折叠偶极子天线的性能进行仿真分析，着重分析折叠偶极子天线的折叠次数n和折叠的高度h对折叠偶极子天线性能的影响，以充分掌握软件的优化过程。图2为折叠偶极子天线的仿真模型。

图2 折叠偶极子天线模型

折叠偶极子天线的轴向长度设定为120mm，折叠的角度为90°，天线的半径为r=1mm，保持折叠次数和折叠角度不变，天线的折叠高度分别为h=2mm，h=4mm，h=6mm，h=8mm，h=10mm。图3为折叠高度h对天线回波损耗S11的影响，具体折叠高度对谐振点的影响见表1。

表1 折叠高度对谐振点的影响

图3 折叠高度对S11的影响

由图3和表1可知随着折叠高度的增加，回波损耗S11的变化较明显。当h=4mm时，回波损耗S11最佳，为-37.10dB。然后随着折叠高度的增加，回波损耗S11随之变大。

保持天线折叠高度和折叠角度不变，研究折叠次数n对天线特性的影响。折叠偶极子天线的结构图与折叠次数之间的关系如图4所示。当折叠次数n=0时，天线为半波偶极子天线。

图4 天线结构图与折叠次数之间的关系

折叠次数对天线谐振点影响的仿真结果见表2。

表2 折叠次数对天线谐振点的影响

由表2可知，随着折叠次数的增加，天线谐振点的回波损耗会越来越小。在偶极子天线外形天线尺寸不变，折叠高度和折叠角度不变的情况下，天线的折叠次数越多，天线的谐振频率越低。通过这个实验让学生明确在实际应用中，在兼顾谐振频率的条件下，可以适当增加折叠次数来实现天线的小型化设计。

4 偶极子天线的微带仿真设计

随着信息技术的高速发展，人们对移动通信网络的需求也与日俱增[12]。因此让学生在掌握折叠偶极子天线性能的基础上，仿真一款适用于移动通信系统的微带偶极子天线。

实验教学所采用的微带偶极子天线仿真结构如图5所示，图为具有短路贴片的偶极子天线，印刷偶极子和寄生振子在天线的正面，见图5（a），“J”形馈电巴伦印制在介质板的背面，见图5（b）。

图5 微带偶极子天线的结构模型

该实验仿真的目的主要让学生掌握通过结构优化过程实现更优的天线性能，实验要求是对“J”形巴伦馈电的结构参数（w4、w5、w6）进行结构优化并分析“J”形结构的部分尺寸对天线性能的影响。其中w6的具体优化性能曲线如图6所示。

从图6可以得知,保持天线其他结构参数不变，改变w6的数值范围为0.7mm～1.1mm，变化间隔为1mm，随着w6的数值变化，天线的谐振频率和回波损耗都随之改变。当w6=1.0mm时，回波损耗数值最小，大小为-53.78dB。

经过反复优化设计，学生可以确定出天线的最优结构，其中w4=2.7mm，w5=1.9mm，w6=1.0mm。从图7所示的回波损耗S11可看出，在最优结构下，谐振频率为1.85GHz，回波损耗S11数值大小为-54.04dB，而驻波比的仿真结果为1.0040，匹配性能较好。

图7 优化后的回波损耗S11

5 结语

专业核心课程的建设将决定着高等人才培养的质量，而专业核心课程的实验教学环节是新工科形势下培养学生解决复杂工程问题能力的重要抓手。在“新工科”和“专业认证”的双重建设要求下，实验教学过程必须在教学模式上体现以学生为中心，能力培养为导向，契合专业实际需求进行创新设计。因此，本文提出的将HFSS电磁仿真内容引入电磁场与电磁波的实验教学模式围绕“新工科”的理念开展实验教学工作，增强了理论教学与实验教学的灵活性，提高了教学效率，必将最终服务于人才培养目标的有效达成。