微波技術教學改革初探

曹衛平 高 喜 于新華 姜彥南

（桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西 桂林 541004）

微波技術教學改革初探

曹衛平 高 喜 于新華 姜彥南

（桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西 桂林 541004）

微波技術是工科電子信息類專業的一門專業基礎課程。該課程內容多、概念抽象，為了激發學生的學習興趣，提高課堂教學效果，文章提出合理利用仿真軟件，對實際波導器件中的電磁場進行模擬仿真，讓學生建立對電磁場的感性認識，從而加深對電磁場以及波導中模式概念的感性認識，為培養IT行業中的高素質創新人才打下基礎。

微波技術；教學效果；學習興趣；仿真軟件

微波技術是工科電子信息類專業的一門重要技術基礎課，是在學習了電路基礎和電磁場與電磁波等課程的基礎上，對微波領域進行深入研究的課程，是工程性、實踐性較強的課程，同時又是一門理論性強，概念抽象的課程。尤其在利用場方法分析的波導結構的章節中，其理論性更強，公式繁多，而且對于“場”，概念抽象，既看不見也模不著。因此，學生對該課程中“場”的理解困難很大，由此產生強烈的畏懼感，可以說是“談虎色變”，往往幾節課，甚至一個學期下來，學生對該門課程仍然是一知半解，尤其對“場”概念的理解更是模糊。另一方面，教師在教學的過程中感覺也很棘手，很難選擇一個合適的角度對“場”的概念進行講解，讓學生對此能有一個清晰的認識，特別對于二類本科院校，學生基礎普遍相對薄弱，上述現象尤為突出。為了改變對微波技術這門課程的“難教、難學”的局面，使學生順利完成這門課程的學習，培養更多合格的高素質IT人才，許多該課程的教學工作者都在積極尋找新的教學方法和手段。在教學實踐中也在不斷地總結經驗，探索適合本專業特點的新的生動形象教學法，使教學質量得到進一步提高，使學生的素質進一步提高，以滿足IT行業中日益增長的人才需求。

（一）基本理論分析

從教材結構的安排來看，波導結構的講解在傳輸線之后。對傳輸線理論，主要采用“路”的方法進行分析，而對波導的分析主要利用“場”的方法。所以從理論方法上看，這兩部分的內容存在比較大的跳躍，為了能夠從傳輸線理論較好過渡到波導理論上來，同時為了幫助學生建立感性認識，課前我們給學生展示一些波導結構實物（如“矩形波導”和“圓波導”）。通過實物的展示，讓學生感受波導這種微波傳輸結構與傳輸線結構之間的本質不同：傳輸線是雙線系統，而波導結構是一種中空的封閉結構。進而，提出對波導結構的分析方法與傳輸線的分析方法也有很大差別，對波導結構而言，主要從“場”的角度進行分析。采用這循序漸進的方式，在我們引入場的概念時，學生有一定的思想準備，而不感到突然。

圖1 波導結構

采用波導結構傳輸微波，也就是將電磁波限制在波導結構中傳播。而這些電磁波必然滿足 Maxwell方程組，這是我們利用“場”方法分析波導結構的根本出發點，只是在這種情況下電磁場要滿足具體的邊界條件（即波導的金屬壁）。因此，只要在合適的坐標系中（矩形波導采用直角坐標系如圖1所示）結合具體的邊界條件求解 Maxwell方程組得到電場和磁場的各個分量，便可得到波導結構的場分布。而對于有電磁場、電磁波以及數學物理方程課程基礎的學生來講，在一定邊界條件下求解 Maxwell方程組以及在求解過程中用到的分立變量法并不陌生，因此對此可以直接給出用縱向場表示橫向場的表達式，以及縱向場滿足的亥姆霍茲方程而對求解過程視情況（例如該課程授課時數的多少）可以輕描淡寫地講一講，避免繁瑣的數學推導。

（二）電磁仿真

在對Maxwell方程解的形式的討論上既是重點又是難點，因為滿足波導邊界條件的解形式有無窮多個，每一個滿足邊界條件的解叫做波導中的一種模式，也就說波導中有無窮多個模式，而每一個模式由于獨立滿足邊界條件，因此都能在波導中單獨存在。對“模式”這一概念，要從數學上講清楚比較抽象、難懂，而從物理上講，它在波導中又是實際存在的，但是看不見也模不著，大多數學生對此難以理解。

為了擺脫這種困難的局面，筆者發現如果借助電磁模擬軟件（如 HFSS、CST等）對波導結構中不同模式的場進行現場仿真[4-5]，將波導中“無形”的場變成“有形”的線條，化“抽象”為“具體”，讓學生在一個形象直觀的環境下理解波導中的模式，往往能夠取得事半功倍的效果。例如在 CST軟件中按照圖 1的方式建立波導模型，利用驅動模式求解方法，模擬3種模式的場結構，具體如圖2－4所示。圖2為波導中TE10模式電場空間分布，圖2為TE10模式的電場在yz平面的分布，圖3為TE10模式的電場在xy平面內的分布，從圖中線條箭頭的方向還能夠判斷電場的方向，在波導邊界上切向場分量等于零等信息在圖中都能清晰反應出來。另一方面，如果采用軟件中的動畫效應，還能夠顯示場只在傳播方向（z方向）的信息。對于磁場，也能通過模擬仿真進行直觀顯示。對于不同的模式，我們只要在仿真軟件中多設計幾個模式，便可以方便解決，通過對不同模式之間電、磁場分布方式的比較，學生便能夠理解電磁波在波導中傳播時是以不同模式進行傳播，也就是說以不同的電、磁場的分布結構形式，這一點與電磁波在自由空間中的傳播有很大的不同。

從激發學生興趣的角度來看，學生對一些新生事物總是存在一種好奇的心態，這樣把他們原來根本沒有接觸過的仿真軟件帶入課堂[5]，能有效激發他們的學習興趣和求知欲，在學生這種強烈求知欲下，我們分析波導中電磁場的模式，所取得的教學效果那是可想而知的。另一方面，電磁仿真軟件是微波器件工程設計的一個必不可少的軟件，提前向學生介紹這些軟件，對提高學生的綜合素質也是大有裨益的。

圖2 TE10模式的在平行于xz平面內的分布

圖3 TE10模式的在平行于yz平面內的分布

圖4 TE10模式的電場分布

（三）結束語

在微波技術這一課程中有許多繁瑣的數學公式和枯燥的概念，這往往讓學生產生畏懼感，從而失去學習興趣。HFSS及 CST等電磁仿真軟件能夠對具體的微波器件進行有效模擬計算，并且能夠將器件中“無形”的場結構用“有形”的線條表示出來，這樣便能夠將一些枯燥的數學公式和抽象的物理概念用簡單而形象的線條進行描繪。另一方面，在計算機高度發達的今天，與微波相關的軟件都能夠在個人電腦上運行，而且隨著高校教學條件的改善，各高校都擁有一定數量的多媒體教室。基于此，我們建議，在微波技術課程教學過程中，合理利用仿真軟件對微波器件進行現場模擬，激發學生興趣和學習主動性，讓學生在一種比較輕松愉快的環境中去學習，既學好了書本知識，又掌握了仿真軟件的使用，有利于培養具有實踐能力的實用型人才。

[1] 鄭學梅,鄔春明,雷宇凌.淺談《微波技術》課程教學改革[J].科技創新導報,2008,No.24:164.

[2] 劉玳珩,張秀成.電磁場與微波課程改革與教學法研究[J].實驗技術與管理,2001,18(6):73-76.

[3] 鐘玉云,雷靜.工科院校實踐教學改革探索[J].廣東工業大學學報,2006,Vol.6 Suppl.

[4] 高喜,曹衛平,姜彥南.微波與射頻電路設計課程教學改革初探[J].企業科技與發展,2010,N0.12.269-271.

[5] 曹衛平.射頻 CAD 技術可以提高畢業設計質量[J].電氣電子教學學報,2007,(29):117-119.

G420

C

1008-1151(2011)06-0134-02

2011-04-20

新世紀廣西高等教育教學改革工程立項項目（11083）

曹衛平（1971－），男，湖南益陽人，桂林電子科技大學信息與通信學院博士，研究方向為微波毫米波器件。