“微波技術與天線”課程教學探討

平學偉　李黎　殷興輝

摘要：“微波技術與天線”是通信、電子、微波等專業的主干專業課程。該課程內容抽象、工程性強、數學公式多、難教難學。本文根據作者教學經驗，針對課程特點，對學習方法、教學手段等方面提出了一些微薄的建議。

關鍵詞：微波技術；天線；教學方法

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）17-0197-02

一、引言

“微波技術與天線”是大學本科通信類專業的一門主干課程，主要內容包括微波傳輸線方程、微波網絡基礎、常用微波元器件、各類天線的工作原理與特性分析等。在很多高校的通信、微波、電子工程等專業，均將“微波技術與天線”設為必修課程。在一些高校的微波專業，將該課程分為“微波技術基礎”與“天線與電波傳播”兩門必修課程上，可見該課程的重要性。在工程上，微波技術也是分析、設計天線、濾波器、定向耦合器等電子元器件的基礎，而天線更是無線電設備必不可少的部件之一。因此，該課程對于通信類專業的學生具有十分重要的意義。但是在本人的教學實踐過程中，發現大部分學生對該課程的學習存在一定的困難。下面從該課程的特點入手，探討該課程的學習與教學方法。

二、課程特點

“微波技術與天線”課程的特點之一是專業性強。在內容上，“微波技術與天線”課程用到了“電磁場與電磁波”的知識，除此之外，還用到了大量的高等數學知識。因此，在課程安排上，一般高校里“微波技術與天線”的學習是放在大三上學期或下學期，上過“高等數學”、“矢量分析與場論”、“電磁場與電磁波”等課程之后。“電磁場與電磁波”課程本身是通信專業比較難學的課程之一。而“微波技術與天線”是基于“電磁場與電磁波”之上，也是比較難學的一門課程。因此，在上“微波技術與天線”課程的時候，對用到的一些知識點要做一些回顧，必要時對公式進行一下推導，便于學生更好地理解。學生在上課之前，最好能對涉及的“電磁場與電磁波”或者高等數學知識進行必要的復習。

“微波技術與天線”課程的另一個特點是具有很強的抽象性。公式繁多且復雜，且物理概念不容易理解。拿傳輸線問題來說，在傳統的低頻電路問題中，電阻、電感、電容等集總參數能夠很好地表示各個元器件的物理性質，分析起來很容易理解。而微波傳輸線問題不同。在傳輸線上，真正有意義的實際上是電磁場。為了對微波問題進行精確分析，需要根據邊界條件求解麥克斯韋方程，從而得到整個空間的電磁場分布，并根據場來分析微波器件的電磁特性。但是這種求解電磁場的方法非常的復雜，而且不直觀。為了分析方便，往往采用化場為路的方法。所謂的“化場為路”方法，是借用低頻電路里的概念，把傳輸線的電磁特性用電壓、電流、阻抗、導納等分布參數來等效。根據分布參數建立傳輸線方程，求出導線上每一點處的電壓、電流的分布，進而分析傳輸線的阻抗、反射系數及駐波比等傳輸特性。因為高頻電路與低頻電路有很大的區別，這在帶來簡便的同時，會給初學者帶來很大的困惑。在學習該課程時我們始終要謹記一點，傳輸線上的電壓、電流、阻抗、導納等參數都是等效的概念，是沒有實際的物理意義的，只是為了描述問題方便而引入的物理量而已，因此不必過度糾結這些參數的含義。真正有意義的是功率、反射系數、S參數等物理量。同樣，對天線的阻抗也是為了方便分析輻射功率而人為引入的物理量，與傳統的阻抗是有區別的。

“微波技術與天線”課程的第三個特點是具有很強的工程性。課程中的所有方法都是為了方便解決實際的工程問題。而且課程中所涉及的各種微波傳輸線、天線等都是實際工程中常用的，如同軸線在各種微波實驗、有線電視、閉路監控系中都有應用，波導應用在雷達、基站、拋物面天線等功率較高的場合，天線的應用更是不勝枚舉，是微波設備的基礎部件，在手機、電視、電腦等日常電子設備上面有會使用。該課程的這一特點，決定了課程本身具有很強的時效性。微波技術與天線是一門快速發展的學科。在工程中，往往會出現很多新結構、新材料，例如等離子天線等。同時學校的教材由于種種限制，不可能很及時的體現微波技術與天線的最新學科前沿。因此授課老師要注意在該課程教學中人為的引入一些工程中的最新進展，保持課程的新穎性。

三、教學方法探討

1.多種教學方式相結合。微波技術與天線在通信課程里是一個十分抽象而且枯燥的課程。不但涉及大量復雜的數學公式，更涉及很多的抽象物理概念與物理結構。靠單一的教學手段很難對各個知識點做到系統的講解。因此最好采用多媒體教學與板書相結合的方法。對于大量數學公式的推導，例如電壓傳輸線方程，偶極子天線在空間的場分布公式，等等，如果采用多媒體教學，僅僅將結果或者推導過程列在幻燈片上，而省略了現場推導的過程，則學生很難對該公式具有深刻的理解，進而會影響學生對該微波元件工作機理的理解。這時候傳統的板書教學方法則是很好的教學方式。將公式寫下來一步步推導，最終得出最后的結論。這樣可以加深學生對公式的理解。而很多微帶線或天線的內部結構，或者為元器件周圍的電磁場分布形狀，靠板書的話不但費事費力，而且不夠形象。而且課本上的內容由于篇幅、顏色、分辨率等限制，也不可能對每個結構的細節做到很好的描述。這時候采用多媒體能夠帶來很大的方便。多媒體教學信息量大、呈現方式多、形象直觀，學生可多角度地觀察對象。一些復雜的物理結構，可以很真實地采用多媒體呈現出來。傳輸線上的場分布或者波導里的電磁波傳輸方式，也可以通過多媒體動態展示出來，從而能夠加深學生的印象，而且能夠給教師帶來極大的方便。

2.理論與實驗相結合。“微波技術與天線”課程的特點之一工程性強。這一特點要求在講授課程的過程中，將書本上的理論與實際的工程問題結合起來。在講到具體的微波器件時，可以在課堂上向學生展示一下具體的微波器件實物。這樣既增強學生的學習興趣，同時能加深學生對該元器件的了解。同時盡量在上課的同時能夠多做實驗，從而使學生對書本上的知識點能夠有直觀深刻的了解。目前河海大學在2.5學分的理論課之外安排了0.5學分的實驗課。課程安排在微波傳輸線部分內容結束之后。實驗內容是基于YM3000三厘米波導測試系統的各種微波實驗，包括頻率、波導波長測量；反射系數與電壓駐波比的測量；阻抗測量；微波網絡的S參數等內容。通過實驗課程，學生可以更好地了解實驗平臺的搭建，信號發生器、頻率計、選頻放大器等微波元器件的使用方法，并且使學生對于各種微波參數的測量、微波傳輸中的各種物理現象有了更直觀的了解。例如：在做頻率與波長測量的實驗時，信號源輸出頻率為10GHz左右的電磁波，在3厘米波導系統終端分別接銅板、匹配負載時，在測量線上移動測量探針，選頻放大器上的讀數變化具有不同的規律。接匹配負載時，移動探針則選頻放大器上的讀數無變化。在接銅板時，相當于終端短路，在測量線上移動探針，則儀表讀數從最小到最大來回的擺動。這時可以從物理概念上講解這種現象產生的原因，從而可以使學生直觀了解行波與方波的特性，以及匹配負載以及短路負載的概念。

3.一些改進措施。雖然分析微波與天線問題通常采用化場為路的方法，但是這兩種問題分析的基礎是麥克斯韋方程。要想對課程中的一些概念具有深刻的了解，必須熟悉電磁波在微波元件內及周圍空間的傳播機理。但是即使對于最簡單的結構，求解該偏微分方程組過程也非常的復雜。除此之外，電磁場是三維矢量場，需要較好的空間想象能力。因此學生在理解微波器件工作機理時普遍存在一定的困難。在接下來的教學中，擬在課程中引入仿真實驗的方法，讓學生在業余時間做一些仿真實驗。例如：利用ANSYS軟件仿真各種微波傳輸線的電磁特性。這樣可以不但能夠使學生加深對物理原理的理解，而且能更好的培養學生在使用仿真軟件方面的技能。

四、小結

教學改革是一個不斷積累、不斷探索、逐步完善的過程。通過這幾年的微波技術與天線教學，雖然付出不少，但也積累了一些寶貴的經驗。通過在教學中不斷摸索，不斷總結，不但提升了自己的教學水平，也激發了學生的學習興趣。當然，在教學過程中難免還有許多不足之處，在今后的教學中，教學方法還需繼續加以完善。

參考文獻：

[1]王新穩，李延平，李萍.微波技術與天線[M].第4版.北京：電子工業出版社，2016.

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[3]宋錚，張建華，黃冶.天線與電波傳播[M].第3版.西安電子科技大學出版社，2016.