无线通信教学中仿真技术的运用研究

梁彦霞

摘要：新工科背景下，为提高无线通信教学质量，各大院校在数字技术赋能教学实践路径下进行了不同形式的教学改革，产生了较好效果。文章以此为背景概述了无线通信教学中应用仿真技术的必要性，并在剖析射频EDA仿真软件平台的基础上，结合HFSS的无线通信天线仿真、FEKO的无线电波散射特性仿真两个案例，对其运用进行了具体探讨。

关键词：无线通信；教学；仿真技术；运用

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.034

中图分类号：G 642；TN 92-4          文献标志码：B           文章编码：1672-7274（2024）04-0-03

Research on the Application of Simulation Technology

in Wireless Communication Teaching

LIANG Yanxia

（School of Communication and Information Engineering （School of Artificial Intelligence）， Xi'an University of Posts and Telecommunications， Xi'an 710061， China）

Abstract： In the context of new engineering， in order to improve the quality of wireless communication teaching， various universities have carried out different forms of teaching reforms under the path of digital technology empowerment teaching practice， which has produced good results. This article provides an overview of the necessity of applying simulation technology in wireless communication teaching， and based on the analysis of the RF EDA simulation software platform， it specifically explores its application by combining HFSS's wireless communication antenna simulation and FEKO's wireless wave scattering characteristics simulation.

Keywords： wireless communication; teaching; simulation technology; apply

在改變日常生活、生产方面，无线通信技术发挥了巨大作用。近年来，随着无线通信技术与数字技术的深度融合应用，既推动了各行业、领域的快速发展，也扩大了人力资源市场对无线通信专业类人才的需求。为满足新的发展需求，各大院校从新工科背景出发积极开展了无线通信教学改革，增强了对各类新材料、新技术、新工艺的运用。从作用看，仿真技术作为一种新型数字技术兼具了理论与技术双重属性，应用到无线通信教学中后，一方面有利于辅助教师创建虚拟实验室、克服传统教学“重理论，轻实践”的弊端，另一方面可促进教学工作向高质量方向发展。下面先对无线通信教学中运用仿真技术的必要性进行简要概述。

1   无线通信教学中应用仿真技术的必要性

1.1 从教学改革角度分析

无线通信课程属于专业基础类课程，教学内容涵盖范围较广，主要包括：通信原理、高频电子线路、概率论、信息论与编码理论、数字信号处理、无线电波传播等。由于该课程具有专业性强、复杂性高等特点，各大院校在新工科背景下为响应教育部“金课”建设要求，通常按照“两性一度”指标开展多元化教学改革。

然而，受到实验设备资源配置不足的影响（主要包括购买资金、设备体积、运维管理等），教学改革捉襟见肘，导致了实际改革效果与预期效果相差悬殊的情况。从以往的教学改革经验看，部分院校面向“新工科”人才培养方向开展无线通信实践教学时仍存诸多困难，提出了“建设虚拟仿真实验室”方案，起到了缓解教学改革实践难题的效果[1]。因而，新时期有必要借鉴相关经验，持续扩大对仿真技术的运用，进一步推进无线通信教学改革工作。

1.2 从学生就业角度分析

无线通信教学中的人才培养直接关系到企业专业人才供给及学生就业，在需求导向下培养无线通信类专业人才时，教师首先要根据与学生就业对口的行业、企业现状，去调整部分教学内容。目前，各行业企业在数字化转型期间已普遍应用无线通信技术。在专业人才的需求方面，十分强调对无线通信技术运用及相关设施设备运维管理等人才的招聘。在这种情况下，无线通信技术教学改革实践中，应增强对仿真技术的运用，使学生在理解所学内容的同时熟练掌握仿真软件，为后续就业打下坚实的技术基础。

2   无线通信教学中对仿真技术的运用分析

无线电通信专题课程教学中，“无线电波传播”部分具有理论性强、抽象特征鲜明、实验教学开展难度大的基本特点。下面以此为对象，结合无线通信天线仿真、无线电波散射特性仿真两种方法，对射频EDA仿真软件平台在其教学中的运用展开分析。

2.1 仿真软件平台

无线电波传播属于无线通信教学中的基础类专业课程，不仅包括信道估计与均衡分集，还涉及诸多无线通信新技术（如智能反射、多无线技术等）。从以往教学经验看，教学中存在的困难集中表现在两个方面：一是该课程内容理论性较强，牵涉若干抽象教学概念，教师向学生讲解专业术语时，存在学生接受效果差的问题。尤其在无线通信天线相关的参数、无线电波不同形式的传播机制方面，学生往往会出现理解不准确的情况。二是该课程中的实验教学要求高，在缺乏配套实验设备的情况下较难开展实验教学。

为此，实践中引入射频电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）软件平台（以下简称EDA软件）开展教学，旨在解决上述两个问题。从笔者查阅文献资料、同行交流及教学经验看，在该门课程方面应用较多的是HFSS软件与FEKO软件。

2.1.1 以HFSS软件为例

该软件属于三维全波电磁仿真类软件（生产厂家是美国ANSYS公司），用户界面十分友好且具有强大的仿真功能，可满足电磁特性相关的仿真与设计需求，适用于无线电波传播教学中的天线、射频与微波器件教学仿真等。从同类课程应用经验看，在无线通信天线仿真方面应用该软件能够快速搭建各种应用场景并进行仿真分析。尤其在提取天线的S参数与其他参数方面可实现“一键式操作”。当学生使用该软件进行学习时，能够在可视化条件下观察相关曲线与三维图，更为全面、深入地理解天线收发无线信号相关教学内容中相对抽象的原理及隐秘路径[2]。

2.1.2 以FEKO软件为例

该软件与上述软件属于同一类型，全称三维全波电磁仿真软件（生产厂家是德国Altair公司），适用范围广泛，主要包括电磁兼容、射频电路、电波传播等领域。同时，在输出表面电流、散射截面及各类图形结果显示方面具有明显优势。与HFSS软件相比，该软件对电大尺寸复杂场景中的电磁分析适配性较高。例如，在无线电波传播教学中应用FEKO软件时，学生能够根据其输出与显示更为直观地分析实际情况，从而掌握无线电波传播内在机制等。

2.2 仿真软件的运用分析

2.2.1 以无线通信天线仿真为例

无线通信中的前端部件中，天线主要负责发送与接收无线电信号。应用HFSS软件时，教师可以搭建天线三维立体模型，绘制辐射远场景分布彩图，使学生更为直观、形象地感受其电波辐射等。例如，微带贴片天线通常应用在短距离无线通信系统之中，结构主要包括：介质基板、1/4波长阻抗转换器、50 微带线、辐射贴片等。此时，教师可应用仿真软件开展相关教学工作。

首先，教师打开FEKO软件后，先进行“项目导入”，然后在模型界面的“参数设置”栏直接输入微带贴片天线相关参数，搭建微带贴片天线结构模型。以常用微带贴片天线为例，相关参数如下：①RR4板介电常数（εr）：4.4；②辐射贴片长度与宽度：28 mm、37.26 mm；③介质基板长度与宽度及高度：74.45 mm、74.52 mm、1.6 mm；④阻抗转换器长度与宽度：17.45 mm、50 ；⑤微带线长度与宽度：15 mm、2.98 mm。导入上述参数后生成的模型如图1所示。

其次，教师可以根据天线辐射特性仿真教学实际需求，模拟其回波损耗曲线（S11曲线）。然后，引导学生通过回波损耗曲线，对其正常工作中的能量传输工作宽带加以确认。由于该曲线呈现为“漏斗型”，学生能够在Freq-dB（S11）回波损耗曲线图中精准找出S11取值范围，并在-10 dB以内确认其工作带宽范围（2.428～2.488 GHz）。除此之外，教师还可以清晰、明确地向学生指出其相对带宽、中心频率分别为2.4%和2.45 GHz等。同理，教师按照同样的仿真教学方法，“提取”参数操作生成该天线的电压驻波比曲线、三维辐射方向图，使学生通过二维曲线与三维方向图直观地观察该天线工作期间无线电波传播情况，从而理解其工作机制[3]。

2.2.2 以无线电波散射特性仿真为例

无线电波传播机制是无线电通信教学中的重点与难点，原因如下：一是该机制涉及的抽象概念较多，学生容易出现概念混淆。二是进行散射截面模型、多径反射模型分析时，缺乏可视化条件支持，学生较难理解抽象模型。在这种前提下，为帮助学生理解其学习中需要了解的目标模型，更为清楚地观察相关输出信息，教师可选择FEKO软件，对无线电波相关特性开展仿真分析，帮助学生理解其机制[4]。

以无线电波散射特性仿真为例，教师可以从散射机制出发搭建飞机散射目标模型，并在其基础上分析飞机散射特性，使学生理解其机制。具体而言，在遭遇不规则物体阻碍的情况下，无线电波传播中会出现散射现象。此时，教师可以将一个具体的飞机作为对象，先简化其内部结构与构成材料，确认相关参数，再进行仿真分析。

其次，教师结合课程内容指导学生观测上述曲线中的RCS数据，并在软件中提取无线电波传播中的路径损耗，进而使其完成对具体目标的识别与确认，进而使学生理解其中的机制。

第三，教师可根据飞机在三维空间中的散射强度分布情况，建立3D RSC分布图，使用蓝色、红色箭头分别标记入射波方向与入射波线极化方向。此时，教师与学生的观察角度可以从0°扩大至360°，全方位实施对三维空间中远场散射回波强度分布情况进行观察与分析。具体操作时，教师可根据“扫角”的实际情况，选择1°作为步进值设置参数，然后建立3D飞机表面无线电波激发的感电流强度分布图，让学生借助直观的三维可视化教学理解无线电波传播散射机制等[5]。

3   結束语

总之，新工科背景下的无线通信教学越来越重要，为促进高质量教学与高水准实践目标的实现，有必要在此类课程教学中扩大对仿真技术要素的配置比例为其实践赋能。结合上述分析可以看出，在无线通信教学中应用诸如HFSS、FEKO之类的EDA射频仿真软件，有利于在三维立体环境下更为清晰地呈现无线电波辐射特性，把抽象的多径反射、散射截面等具象化，进而提高学生的学习效果。建议教师在新时期无线通信教学实践中，尽可能根据无线电通信教学中的实际课程内容，选择适配性较高的仿真技术及配套软件，全面提高此类教学的直观性与可视化程度，增进学生对所学内容的理解。

参考文献

[1] 代健美，高丽娟．无线通信教学改革与实践[J]．教育现代化，2022（21）：165-169.

[2] 崔琪楣，刘宜明，秦晓琦，等．新工科背景下无线通信中的人工智能课程思政教学改革与实践[J]．高教学刊，2023（21）：37-40.

[3] 常春，武明虎，廖力．基于软件无线电的通信专业实践教学探索[J]．教育教学论坛，2022（23）：117-120.

[4] 王涛．面向物联网的无线通信实践教学改革探索[J]．中国新通信，2022（8）：7-9.

[5] 李奕彤．无线通信实验教学设计及其持续改进研究[J]．科学咨询，2022（13）：47-49.