電磁仿真軟件在《天線與電波傳播》課程中的應用實踐

任儀+尹波+周建梅

【摘 要】 《天線與電波傳播》是電子科學與技術類專業學習中較難掌握的一門課程，具有理論抽象、實踐性強等特點，學生學習過程中往往興趣不高，無法正確認識該課程在無線系統中的作用。為改善這一問題，筆者在《天線與電波傳播》的教學過程中，結合電磁仿真軟件的分析應用，對課程中所涉及的主要天線性能與參數進行了分析與講解，激發學生的學習興趣，加深了學生對一些概念和公式的理解，提高了教學質量。

【關鍵詞】 電磁仿真；天線與電波傳播；教學質量

【中圖分類號】 G64.28 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2095-3089（2017）17-00-01

天線是現代無線通信設備的關鍵器件之一，廣泛應用于航空航天、衛星、導航、遙感、汽車電子等領域。鑒于天線的重要性，目前多數高校針對電子科學與技術及相關專業都開設了《天線與電波傳播》課程，介紹有關天線設計和天線性能的基本理論以及電波傳播的基本知識。天線理論課程的教學，不僅可以幫助學生加深對電磁場和電磁波的理解，還可使學生在該理論的指導下進行簡單天線和傳輸系統的設計，有助于后續微波電路、通信等課程的良好開展。然而，筆者在教學實踐中發現，該課程內容廣泛、概念抽象、公式繁瑣，應用的矢量分析、特殊函數與數理方程等工程計算非常復雜，傳統教學方法不易理解和掌握，給教學帶來了較大的困難。

為了改善《天線與電波傳播》課程的教學現狀，本文提出在該課程的教學過程中針對天線工程和輻射分析領域的一些典型問題，應用電磁仿真軟件Feko分析和驗證其輻射特性和基本定理，如輸入阻抗、方向圖、方向圖乘積原理等。利用軟件提供的直觀形象（如電力線和磁力線分布矢量圖、等位線云圖等），加深學生對天線理論及其應用的理解，培養其解決實際工程問題的能力，提高教學效果。

1.天線課程教學現狀

《天線與電波傳播》是一門工程實踐性很強的理論基礎課程，其先修課程為《電磁場與波》和《微波技術》，需要學生有較好的電磁場基礎，并掌握電磁輻射和傳統線理論等知識點。然而，該先修課程均為電子信息類專業公認的難學課程，使得通常學生難以全面深入地掌握天線課程所需前期理論基礎，造成學生學習天線理論較為吃力。此外，天線理論課程中同樣存在大量的公式推導，并需要大量應用特殊函數和數學物理方法，偏重于單一的理論講解，使得課程授課形式枯燥乏味，難以引起學生的興趣。同時，天線課程的理論授課方式與天線的工程應用屬性脫節，容易造成學生對其工程應用方式和工程重要性的困惑，進一步降低了學生的學習積極性。因此，現有的教學方法普遍教學效果不理想，有必要研究在不減少理論知識的情況下，加強形象化、工程化的應用知識引導，激發學生的學習興趣和主觀能動性，提高教學效果。

2.基于電磁仿真軟件的天線理論教學

綜上所述，天線課程的理論概念多、公式繁瑣是造成學生學習困難的主要因素。為避免該問題，在常規理論教學的同時，筆者通過增加電磁場仿真分析的實踐環節，通過電磁商業仿真軟件Feko對典型天線及電磁輻射問題進行分析，在理論講解的同時配合可視化和操作性更強的仿真建模和數據后處理，即提高了授課的趣味性，又加強了學生對天線與電磁空間和時間特性與概念的理解。同時，通過讓學生親自參與嘗試建模和仿真，使得學生表現出濃厚的學習興趣和強烈的求知欲。

3.教學實例

在具體的教學實踐中，需要先確定在理論授課過程中較抽象的知識點，同時提前通知學生熟練Feko的基本仿真方法。例如，對傳統的天線理論講授時，天線方向圖的乘積原理通常較為抽象，理論教學中均以線天線為例說明方向圖的乘積原理。但考慮到實際工程中線天線應用較少，且理論教學中的線天線描述過于理想，在該教學方法中，首先通過Feko軟件建模普通的線天線單元，研究天線單元的方向特性，再根據教材中描述的方向圖乘積原理，研究不同排列方式和幅相特征的線性陣的陣列方向圖，從而使得方向圖乘積原理的描述具體化形象化。此外，為使得該理論更接近于實際應用，在授課過程中還增加了喇叭天線陣列和微帶天線陣列的仿真研究，分別分析其單元輻射特性與陣列輻射特性，總結方向圖乘積原理，以及陣列布局所引入的互耦和有源駐波等因素，從而不僅使得理論講解更直觀，同時也擴充了課本知識，使得所授內容更充實和實用。

筆者通過近4年的教學實踐，在《天線與電波傳播》的教學過程中采用電磁仿真軟件分析和驗證電磁輻射基本理論與典型天線和電波傳播問題，以此為輔助教學方式不斷引導學生理解和認識天線的基本概念和特性，加深對實際天線工程應用方式和重要性的認識，引導學生獨立思考天線和電波傳播的相關知識，深化學生對電磁輻射理論的理解。同時，通過結合軟件仿真的方式，較好地激發了學生的學習興趣，將單調抽象的被動式理論教學轉換成軟件輔助的主動式學習，使得部分優秀學生在該課程的學習后選擇在天線與微波方向上繼續進行深入的學習研究。此外，教學質量也由此得到了明顯提升，每年平均成績均有所提高。

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