“微波技術與天線”課程理論與實際相結合探討

曹維萍++張燕++蘇明++陳萬軍

摘 要：“微波技術與天線”是一門理論性較強的課程，在工程實際中也得到了廣泛的應用，因此傳統的課堂教學方式也應由純理論教學發展到理論與實際應用相結合。適當地增加工程設計軟件和工程應用的實例，不僅可以激發學生學習的熱情、提高學習的積極性，還可以幫助學生進一步理解該課程的重要理論，同時改善教學的效果。

關鍵詞：微波技術與天線 實際應用 教學改革

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（c）-0226-03

“Microwave Technology and Antennas” Course Explores： Integrating Theory with Practice

Cao Weiping Zhang Yan Su Ming Chen Wanjun

（Northwest-Minzu University， Lanzhou， Gansu， 730030， China）

Abstract：“Microwave technology and antennas” is a strong theoretical course，its also widely used in engineering， so the traditional way of classroom teaching should also bedeveloped to the combination of theory and practical application from the pure theoretical teaching. Appropriately increase the engineering design software and examples of engineering application， not only can stimulate students' enthusiasm， but also help students further understanding the importance theory of the course， at the same time， improve the teaching effect.

Key Words： Microwave technology and antennas； The actual application； The teaching reform

“微波技術與天線”是電子、通信等專業本科生的專業基礎課程[1]，又是應用廣泛的課程之一。作為信息主要載體的高頻電磁波——微波不僅在衛星通信、計算機通信、移動通信、射頻識別等領域得到了廣泛的應用，而且深入到了各行各業，甚至人們的日常生活。該課程理論性較強，涉及大量的理論和公式，學生普遍感覺晦澀難懂，因此在授課過程中，除了將理論知識傳授給學生，還有必要增加與工程應用相結合的內容。如果將課堂教學與實際工程應用相結合，讓學生具體了解到該課程內容的實際物理意義及其工程實踐意義，那么將會對學生的理解起到不可估量的作用[2]。

1 課程本身的特點

“微波技術與天線”這門課程主要涉及微波技術理論、天線理論及電波傳播等，該課程既有較強的理論性又有較強的工程應用性。課程的先修課程比較多，主要對高等數學、電磁場電磁波以及電路理論要求理解的多些，要求學生要有較好的數學基礎，是通信、電子專業課程中比較難學的一門專業基礎課。該課程教學內容的特點是基本概念基本理論抽象、分析方法多樣、公式復雜。單純在課堂上講授理論而不和實際應用相結合可能達不到預期的教學目的。在課程結束后，學生依然不清楚為什么學習這門課，學習這門課究竟有什么用。

“微波技術與天線”理論整體是用“場”的分析方法，即用麥克斯韋方程結合邊界條件來分析系統內部的結構。這一方法對規則邊界條件可以得到嚴格的解析解，但對復雜的邊界條件，其求解過程往往非常繁雜、冗長，甚至難以得到其解。因此，對于一些本質上屬于場但在一定條件下可以轉化為電路的問題，可以應用“路”的方法進行求解，即在一定條件下“化場為路”，該方法因有足夠的精度，數學上又較為簡單而被廣泛采用[3]。

同時，隨著現代無線通信技術的快速發展，同軸線、微帶線等微波傳輸系統廣泛被應用在有線電視、閉路監控系統、電信傳輸系統等，功率分配器、隔離器、定向耦合器也得以應用到室內分布系統和基站等領域，天線的應用更是無處不在，有手機天線、藍牙天線、基站天線等等。因此，微波與天性技術在很多方面體現了與工程應用緊密聯系。

2 教學過程中的特點

2.1 傳統教學中存在的問題和不足主要表現

偏重理論教學，實踐環節所占的比重小或者沒有。有些學校是在大三下學期開設54學時的微波技術與天線課，有的學校是在大四上學期開設48學時的理論課，相關的實驗課時沒有或者較少。因此在有限的課時內傳統教學方法僅僅能將基本的、重要的概念、原理和方法教授給學生，而像微波技術和天線技術的發展前沿、這些技術的工程應用、更深一層次的學科問題涉及較少。另外缺少學科建設及科研經費，造成實驗室先進儀器設備相對匱乏，實驗不能體現微波與天線的工程應用，也導致了教學理論性和工程應用性不能很好結合。

“微波技術與天線”課程的傳統教學方式比較單一。教學過程普遍采用傳統的“粉筆加黑板”的教學方式，雖然多媒體手段也得到了廣泛的使用，但是針對這門課程，板書所占的比重還是較多。這對于側重理論推導的課程，有助于讓學生充分地理解公式的由來，但同時講課的效率卻無法充分提高。

2.2 學生接受知識的狀況

課堂表現不積極主動，學生興趣不高。由于“微波技術與天線”課程本身的特點決定了它的基本理論知識較難理解，公式推導較多且復雜，學生感到枯燥乏味，有的學生在第一章的學習中就感覺很費力、跟不上，導致后面的內容學起來越來越吃力。

個別章節的內容實際應用性非常強，學生無法將理論與實際相結合，因此教學的效果便大大降低。比如學生對無源微波元器件接觸較少，甚至幾乎沒有見過，所以單純在課堂上講授微波元器件的知識總是使學生感到抽象難懂，教學效果也不夠好；學生們都樂于通過實驗實踐的方式來接受微波技術和天線技術的理論。

綜合上述的原因及特點，“微波技術與天線”課程的教學改革迫在眉睫。應打破傳統的教學模式，充分、合理地利用多媒體和計算機輔助教學，精心設計課程講授地形式和內容，千方百計使枯燥乏味的學習變得生動起來，充分調動起學生的學習興趣和積極性，提高學生思考和解決問題的能力，最終的目的是培養出社會真正需要的創新型技術人才。因此，根據該課程的特點，為了增加實踐鍛煉的機會，讓學生切身感受到這門課程的有趣有用之處，應該增加計算機輔助教學等手段。

3 教學方法改革的探討

3.1 講好緒論

學生一般在每門課程的開始都充滿了好奇和興趣，一個精彩的“緒論”課能夠激發學生的學習熱情和求知欲望[2]；反之，如果第一節課講的平平淡淡，沒有懸念，學生就會對這門課失去興趣。因此，講好“緒論”顯得尤為重要。在“微波技術與天線”課程緒論的講授中，除了介紹“什么是微波、什么是天線”等內容以外，應重點列舉一些微波技術與天線在雷達系統和通信系統中、在我們日常生活中的應用實例。如微波和無線通信的關系、微波的頻段是什么、現代無線通信最前沿的4G指的是什么、它的頻段又是如何劃分？天線的由來、種類以及天線在各個歷史時期發展的特點，甚至聯系到當下最近的新聞等等。以此來說明隨著現代通信技術的發展使得射頻、微波、天線技術的應用已經無處不在，說明微波技術與天線技術是如此的重要。所以，通過在緒論中引入這些微波技術的應用實例，可以使學生對該課程將要學習的內容有一個大概的了解，也可以在一定程度上明白必須學好這門課，即體會到該課程的必要性和重要性。

3.2 充分展示“圖”的魅力

一套精心制作的幻燈片是教師吸引學生眼球的法寶。為了制作這樣的幻燈片，教師應首先對微波技術與天線課程的內容十分熟悉。然后根據各個章節知識的特點進行設計。比如，在緒論中播放一些用到微波技術和天線的圖片，搜集一些不同用途不同形式的天線，在微波傳輸線理論中，借助多媒體生動、形象地來表達“場”這一看不見摸不著的物質，幫助學生在腦海中建立“場”的映象，在均勻無耗傳輸線的工作狀態分析中除了用每一種工作狀態的電壓電流幅度波形、輸入阻抗圖形來展示傳輸線上電壓電流和阻抗的分布特點，還可以將3種工作狀態下的圖形進行比較。當然，對于Smith阻抗圓圖和阻抗匹配的內容還是通過板書畫圖的形式呈現出來更恰當一些，因為這樣一來，學生就可以跟著教師的步驟一步步學會阻抗的匹配計算。對于天線技術理論，可借助的圖片和動畫就更多了，可以用一個無線通信系統收發信號的動畫來說明天線在其中的功能和作用，用動畫展示天線輻射電磁波的機理，更可以用動畫演示天線的基本電參數特性，比如天線極化的方式、三維立體方向圖、天線波束下頃演示等，另外，還可以收集一些不同種類天線的圖片展示給學生，充分調動起學生學習微波技術與天線的興趣，使學生對所學的基本理論有個直觀、形象的認識，有助于對書本理論的理解。這樣既避免了教師在講授基本原理基本理論時的枯燥乏味，又加深了學生對相關知識的理解程度，從而達到良好的教學效果。總之，應充分利用多媒體輔助教學的優勢，采用板書和多媒體互補的授課方式。

3.3 使用相關的仿真軟件

微波射頻領域主要的仿真軟件有Agilent公司的ADS（Advanced Design System）軟件和Ansoft公司的HFSS、Designer軟件以及Microwave Office等設計軟件。在課堂教學中有必要將上述軟件介紹給學生。

其中Ansoft HFSS是一個基于有限元法的交互軟件包。它可以將幾何結構自動剖分成大量的四面體。使用Ansoft HFSS可以計算：基本電磁場量E、H；開邊界問題的輻射近遠場；端口特性阻抗和傳輸常數；S參數和相應端口阻抗的歸一化S參數；一種結構的本征模或諧振解[4]。在天線理論教學中可以采用Ansoft HFSS仿真軟件開展基于仿真平臺的教學內容，讓學生進行相關的仿真設計，通過仿真對稱振子天線、微帶天線等使學生學會仿真的基本步驟，通過分析仿真結果能清楚地區分E面和H面方向圖，同時可以得到阻抗、增益、頻率、插入損耗、帶寬等參數，進而理解天線的輻射原理。

而Microwave Office是一個運行在Windows環境下的可視化微波電路設計和仿真軟件，提供了一種圖形化的輸入方法，更方便進行傳輸線理論的研究。通過引入計算機仿真軟件，不僅可以使學生更好地理解“微波技術與天線”課程的基本概念、基本原理，還能通過使用仿真軟件掌握它的基本操作和設計步驟，同時使學生對微波與天線技術產生濃厚的興趣，提高了學生學習的積極性，也提高了學習效率。因此課堂教學與實際應用相結合，既豐富了課堂的內容，也充分調動了教師的積極性和學生的學習熱情，同時使學生學有所得。

3.4 教學內容和方法改革

“微波技術與天線”課程是一門理論性和工程性都較強的課程，所以在課程內容的安排上應以實際應用為主線，在教學內容上適當增加一些前沿的、熱門的知識，教學過程中積極引導，努力改變理論教學的枯燥乏味，使其變得生動形象，增強學生學習的興趣；其次在教學方法上不斷改進，嘗試進行網絡教學改革，將網絡教學與課堂教學有機地結合起來，利用網絡教學來補充課堂教學。理論教學的同時積極申報更多的實驗室項目，給學生創造更多的實踐動手的機會。將科研成果引入到教學環節中，開拓學生的眼界，調動學生參與到實踐鍛煉的活動中。

4 結語

教學改革是一個長期不斷探索、不斷完善的過程。為了使相關課程的教學更好地服務于學生，應該在教學內容上不斷調整，適當增加一些前沿的、熱門的知識，在相關章節內容教授完之后引入工程設計軟件，使學生對該課程產生濃厚的興趣，進一步培養實際科研能力，提高學習效率，為今后畢業設計和從事微波技術和天線的科研工作打下良好的基礎。

參考文獻

[1] 劉學觀，郭輝萍.微波技術與天線[M].2版.西安：西安電子科技大學出版社，2006.

[2] 蔣鐵珍，廖同慶.“微波技術與天線”教學：與工程應用相結合[J].教育與教學研究，2014，28（6）：78-81.

[3] 曹祥玉，高軍.微波技術與天線[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

[4] 袁海軍，盧晶琦，馬云輝.在“微波技術與天線”課堂教學中引入工程軟件[J].科技資訊，2008（25）：160.

[5] 李素萍，吳偉.“微波技術與天線”課程教學改革探討[J].中國電力教育，2011（8）：108-109.