“微波技術與天線”課程實驗教學模式探索

劉雙兵，余建立

（巢湖學院 機械與電子工程學院，安徽 合肥 238000）

“微波技術與天線”課程實驗教學模式探索

劉雙兵，余建立

（巢湖學院 機械與電子工程學院，安徽 合肥 238000）

為適應社會發(fā)展需要，培養(yǎng)應用創(chuàng)新型人才，文章針對“微波技術與天線”課程實驗教學中驗證性實驗偏多、學生自主實驗能力較差、實驗內容缺乏應用性等現(xiàn)象，探索創(chuàng)新型實驗教學模式。通過虛擬實驗在線課程、微波測量實驗、微波通信系統(tǒng)實訓逐步培養(yǎng)學生的理論學習與應用、實踐操作能力和應用創(chuàng)新能力，形成“理論—應用—創(chuàng)新”的實驗教學模式，鍛煉了學生的專業(yè)創(chuàng)新思維，體現(xiàn)高層次應用技術型人才培養(yǎng)目標。

微波技術與天線；實驗教學；創(chuàng)新

“微波技術與天線”是巢湖學院電子信息工程和電子科學與技術專業(yè)的專業(yè)基礎課程，兼具理論性和應用性。該課程包括微波技術、天線與電波傳播和微波應用系統(tǒng)3個部分[1]，內容涵蓋電磁場理論、路技術、微波網絡基礎和微波元器件等，具有較強的理論性和實踐性，實際應用十分廣泛[2]。課程教學內容具有基本概念抽象、分析方法靈活多樣、公式推導復雜等特點[3]。“微波技術與天線”實驗課程對學生掌握基本理論、知識和技能，培養(yǎng)學生應用與創(chuàng)新能力等方面發(fā)揮了重要作用[4]。

傳統(tǒng)的微波技術測量實驗教學偏重理論知識的驗證與應用、實踐操作能力的訓練，實驗教學基于矩形波導傳輸線對頻率、波導波長、負載阻抗、定向耦合器性能等基本參數(shù)的測量與分析計算。對于驗證性實驗項目，可以幫助學生掌握微波信號源、選頻放大器、功率計等微波測量儀器的使用，同時更好地理解微波技術相關理論知識，如通過波導波長的測量，使學生了解到矩形波導內傳輸主模TE10的波導波長不僅與自由空間波長有關，且與矩形波長寬邊長度有關。但由于微波技術測量實驗局限于矩形波導傳輸線，不利于學生對應用更廣泛的微帶線、帶狀線等開放式傳輸線的理解和應用。

為了培養(yǎng)學生的知識應用能力，提高學生的專業(yè)創(chuàng)新能力，有必要對實驗課程的教學內容、教學方法和考核機制進行改革，加大創(chuàng)新性實驗項目設置[5]。在現(xiàn)有“微波技術與天線”實驗設備基礎上，嘗試了“理論—應用—創(chuàng)新”的實驗教學探索，力求通過專業(yè)課程實驗教學，鍛煉學生的專業(yè)創(chuàng)新思維，培養(yǎng)出高層次應用技術型人才。

1 注重理論與應用，開發(fā)虛擬實驗在線課程

“微波技術與天線”虛擬實驗是對傳統(tǒng)實驗教學的有益補充，使抽象的微波技術理論知識形象化，提高了學生的學習興趣和應用能力。將虛擬實驗與當前不斷發(fā)展壯大的在線課程相結合，為學生提供隨時隨地開展學習和實驗操作的良好平臺，極大地提高學生的學習效率，同時方便授課教師及時地掌握學生的學習動態(tài)和知識掌握情況。

通過課程組教師的共同探討，逐步形成了“微波技術與天線”虛擬實驗的結構框架，每個實驗模塊針對課程抽象的理論知識進行波形演示、綜合應用以及分析計算，實驗操作簡潔明了，知識應用具體生動。虛擬實驗模塊詳情如下。

（1）傳輸線方程解的虛擬實驗模塊，該模塊中學生可以設置傳輸線的工作參數(shù)，如無耗或有耗、傳輸線特性阻抗等，通過改變終端負載阻抗，觀測傳輸線上電壓或電流的入射波、反射波以及合成波的波形。該實驗模塊演示了傳輸線方程解的組成部分，在有耗和無耗條件下傳輸線上電壓或電流的特點，當終端接不同負載阻抗時傳輸線上將產生行波、駐波和行駐波狀態(tài)，有助于學生對傳輸線方程解的理解和掌握。

（2）傳輸線輔助分析虛擬實驗模塊包含6個子模塊，分別對應傳輸線工作狀態(tài)參量輸入阻抗、反射系數(shù)和電壓駐波比之間的相互轉換、已知終端負載求任意位置處的輸入阻抗、已知電壓波腹點或波節(jié)點位置求終端負載阻抗及其逆問題求解、λ/4阻抗匹配問題求解以及并聯(lián)支節(jié)阻抗調配問題的分析計算。本實驗模塊涉及微波技術理論部分的分析計算，使學生深刻理解傳輸線工作狀態(tài)參量之間的換算關系、阻抗匹配的方法及其不同特征。

（3）阻抗匹配波形演示虛擬實驗模塊，通過學生選取不同的阻抗匹配方法，并輸入相關參數(shù)，觀察各段傳輸線上的電壓或電流波形，讓學生了解到只有滿足阻抗匹配條件下，主傳輸線上才能產生行波狀態(tài)，并使學生深刻理解采用反射抵消反射的阻抗匹配思想，開發(fā)學生的應用創(chuàng)新思維能力。

（4）矩形波導場分布虛擬實驗模塊，學生通過設置矩形波導的幾何長度、電磁波頻率和內部填充介質的介電常數(shù)，了解電場、磁場和電流在矩形波導內的場分布，學習并掌握矩形波導傳輸線內的電磁波分布規(guī)律，為后續(xù)設計波導縫隙天線提供必要的理論基礎。

（5）基本輻射單元方向圖實驗模塊，演示了電偶機子、磁偶極子、基本縫隙、惠更斯面元等構成的實際天線基本單元在空間產生的輻射場，包括立體方向圖、E面方向圖和H面方向圖，使學生對天線相關的基本概念和電參數(shù)有形象認識和掌握。

（6）對稱振子方向圖實驗模塊，使學生形象了解對稱振子的遠區(qū)空間輻射場的具體情況，對稱振子的方向性函數(shù)與振子的臂長有關，是振子臂電氣長度的函數(shù)。振子臂長較短時，波瓣較寬，方向性較差；隨著臂長增加，方向性逐漸改善；但是臂長超過半個波長時，會出現(xiàn)一些邊波瓣，甚至會使主波瓣發(fā)生分裂。使學生明白對稱振子的臂長在1/4波長附近時，沒有邊波瓣，主波瓣隨臂長的變化也不顯著，半波對稱振子在天線中得到普遍應用。

對“微波技術與天線”虛擬實驗項目，要求學生在課外時間用學號登錄在線課程平臺，并自主完成各個實驗項目，提交最終實驗結果和實驗心得體會。授課教師通過在線課程平臺審閱學生實驗報告并加以評分，虛擬實驗最終成績合成為期末成績的20%進行考核。實踐證明，“微波技術與天線”虛擬實驗促進了學生理解和掌握抽象的理論知識，提高了學生的基本知識應用和實踐能力，培養(yǎng)了學生一定的創(chuàng)新思維能力。

2 重視實踐能力訓練 開設微波測量實驗課程

“微波技術與天線”虛擬實驗在理論學習和知識應用方面發(fā)揮了重要作用，但是并不能替代硬件系統(tǒng)構成的微波測量實驗，后者對學生鍛煉基本測量儀器使用、實踐操作能力培養(yǎng)等方面的效果更加明顯，因此，開展微波測量實驗教學具有同等重要的作用。實驗項目包括頻率測量、波導波長測量、阻抗測量、微波功率與衰減測量、阻抗調配和定向耦合器的性能測量等，實驗目的是應用微波技術的理論知識，理解微波測量系統(tǒng)的工作原理，掌握微波信號源、晶體檢波器、選頻放大器等基本測量儀器的使用，探索矩形波導主模傳輸情況下內部電場沿軸線的分布規(guī)律，提高專業(yè)實驗基本操作和數(shù)據(jù)分析與處理等能力。

巢湖學院微波測量實驗可開展6個實驗項目，其中綜合性與應用性較強的阻抗測量和阻抗調配作為必做實驗項目，余下4個實驗項目中任選2個，每個學生必須完成4個微波測量實驗，計8學時。對于必選實驗項目，要求學生對實驗數(shù)據(jù)進行理論分析計算和Smith圓圖圖解處理，可對應于“微波技術與天線”虛擬實驗中的傳輸線輔助分析和阻抗匹配實驗項目加以擴展，同時應用Smith V2.0軟件進行數(shù)據(jù)處理，此舉加深了學生對傳輸線理論的理解，增強了學生微波工程基本工具的應用技能技巧。每個實驗項目完成后，學生提交完整的實驗報告，授課教師及時審閱和評分，微波測量實驗最終成績合成為期末成績的30%進行考核。

3 提升應用創(chuàng)新能力，開展微波通信系統(tǒng)實訓

課程實驗教學目標不僅讓學生掌握理論驗證、知識應用、動手能力和實踐技能，更要注重學生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的激發(fā)與培養(yǎng)。在“微波技術與天線”虛擬實驗和微波測量實驗基礎上，綜合微波技術、無線通信、射頻電路、天線技術等課程體系，構建微波TV收發(fā)機通信系統(tǒng)創(chuàng)新實訓平臺，開展微波通信系統(tǒng)實訓教學。微波通信系統(tǒng)組成框如圖1所示。

圖1 微波通信系統(tǒng)組成框

微波通信系統(tǒng)按照圖1連接測試系統(tǒng)，其中微波發(fā)信機包括調制器、上變頻器、本振、射頻濾波器和射頻放大器等模塊，微波收信機由低噪聲放大器、下變頻器、本振、中頻濾波器、中頻放大器、解調器等模塊組成。微波通信系統(tǒng)實訓教學分為兩個階段，即微波通信系統(tǒng)各個模塊的測試階段和綜合設計階段。

3.1 微波通信系統(tǒng)模塊測試

為促進學生對微波技術、通信原理、天線理論等專業(yè)理論知識的應用，微波通信系統(tǒng)實訓要求學生使用微波信號發(fā)生器、頻譜分析儀、矢量網絡分析儀、頻率計等測試儀器對微波通信系統(tǒng)中單個功能模塊進行測量，了解各個器件的工作原理和特性，掌握器件的技術指標測量方法，深刻理解微波通信系統(tǒng)各組成模塊的功能。

微波通信系統(tǒng)功能模塊測試實訓可開設13個實訓項目，實訓模塊如圖2所示，其中前3個實訓項目作為必選，要求掌握基本測試儀器的使用，余下的10個實訓項目中任選一個，即要求學生根據(jù)自己的學習興趣自主選擇某個器件進行測試和分析，掌握該器件的概念、原理、特性參數(shù)和功能，為下一階段的綜合設計奠定基礎。每個實訓項目完成后，學生提交完整的實訓報告，本階段最終成績合成為期末成績的30%進行考核。

圖2 微波通信系統(tǒng)實訓項目

3.2 微波通信系統(tǒng)模塊綜合設計

為提高學生的知識應用水平，培養(yǎng)學生專業(yè)創(chuàng)新能力，在微波通信系統(tǒng)模塊測試基礎上，開展微波電路與器件的綜合設計教學。要求學生結合自選的微波通信系統(tǒng)模塊測試實訓心得體會，借助頻譜分析儀等儀器測試對擬設計微波器件的輸入、輸出信號頻譜，明確電路功能和設計目標，并進行文獻調研，確定設計方案。

為保障學生綜合設計的順利進行，一方面以分組形式開展，即擬設計電路相同的學生可以由3～4人組成一個實訓團隊，任務分解、方案討論、共同完成；另一方面授課教師在學生實施設計過程中及時提供必要的理論指導，同時巢湖學院的“微波技術與天線”應用型課程開發(fā)與建設項目為學生的電路加工制作提供了經費保障。學生通過微波通信系統(tǒng)信號測試、電路設計理論分析、ADS或HFSS專業(yè)軟件仿真分析和優(yōu)化、實物制作、實驗測試等過程完成整個微波電路的設計，撰寫電路設計實訓報告。該報告成績合成為期末成績的20%進行考核。

實踐表明，微波通信系統(tǒng)綜合設計實訓培養(yǎng)了學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、理論與實踐相結合、創(chuàng)新思維等諸多方面的能力和團隊合作精神，調動了學生的學習積極性和主動性，提升了學生綜合運用知識解決實際問題和創(chuàng)新探索的能力。在該課程基礎上，學生以“環(huán)境無線能量收集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)”為選題成功申報巢湖學院皖維科技創(chuàng)新孵化基金項目1項，以“DGS微帶濾波器設計”“CPW低通濾波器設計”“微帶濾波天線設計”等選題完成畢業(yè)設計多篇，體現(xiàn)了學生的專業(yè)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力得到了一定提高。

4 結語

為適應社會對專業(yè)人才的需求，符合巢湖學院應用型本科高校的定位，探索了“微波技術與天線”課程的實驗教學改革，闡述了課程實驗教學內容、教學方法和考核方式，提出了“理論—應用—創(chuàng)新”的實驗教學模式。通過虛擬實驗在線課程促進學生掌握課程理論知識，通過微波測量實驗鍛煉了學生的知識應用和實踐操作技能，通過微波通信系統(tǒng)實訓培養(yǎng)了學生專業(yè)創(chuàng)新思維和能力，對“微波技術與天線”課程創(chuàng)新型實驗教學開展了有益探索。

[1] 劉學觀.微波技術與天線[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001.

[2] 傅文斌.微波技術與天線[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[3] 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（6）：78-80.

[4] 趙同剛，趙安新，陳迅.電磁場與微波技術實驗教學改革和探索[J].北京郵電大學學報（社會科學版），2015（3）：101-105.

[5] 郭慶，海鶯，趙中華，等.基于創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的實驗教學考核模式改革探索[J].實驗室研究與探索，2017（7）：175-177.

Exploration of experimental teaching mode of“Microwave Technology and Antenna” course

Liu Shuangbing, Yu Jianli
（Mechanical and Electric Engineering Department of Chaohu College, Hefei 238000, China）

In order to meet the needs of social development and cultivate practical and innovative talents, this paper aiming at the phenomenon in experimental teaching of “Microwave Technology and Antenna” course, such as overmuch con fi rmatory experiments,poor autonomous experimental ability and lack of applicability, explores the innovation experimental teaching mode. The abilities of theoretical learning and application, practical operation and applied innovation are gradually cultivated by virtual experiment online course, microwave measurement experiment and microwave communication system training. The experiment teaching mode of “theory,application, innovation” is formed for exercising the professional innovative thinking, aiming at cultivating high level application of technical talents.

microwave technology and antenna; experimental teaching; innovation

安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計劃重點項目；項目編號：gxyqZD2016291。巢湖學院質量工程項目；項目編號：ch15yykc06。巢湖學院課程教改一般項目；項目編號：ch16kcjgxm14。

劉雙兵（1982— ），男，安徽宿松人，實驗師，碩士；研究方向：“微波技術與天線”的教學以及新型天線。