ADS軟件在電磁場與微波技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

文/張恩浩

微波技術(shù)與電磁場課程具有抽象性概念、理論性強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)學(xué)生的邏輯思維能力有著較高的要求，學(xué)生在學(xué)習(xí)中需要牢固掌握高等數(shù)學(xué)與物理知識(shí)，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)造成了一定的難度，不利于提升課堂效果。想要改變現(xiàn)有情況，需要合理運(yùn)用現(xiàn)代科技，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的不足，使抽象的物理知識(shí)轉(zhuǎn)變更加直觀，書面的理論知識(shí)轉(zhuǎn)變的更加形象化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，不斷提升學(xué)生的創(chuàng)造力與學(xué)習(xí)能力。

1 ADS軟件及技術(shù)應(yīng)用

1.1 ADS軟件

ADS（Advanced Design System）軟件，是目前世界上各研究機(jī)構(gòu)和高校運(yùn)用最多的射頻微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件。因?yàn)檐浖墓δ荦R全，仿真方式多樣等，應(yīng)用越來越廣泛。我國主要應(yīng)用ADS做射頻和微波電路的設(shè)計(jì)，MMΙC和RFΙC的設(shè)計(jì)，通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。一般來說微波電路系統(tǒng)版圖包括電磁場仿真工具M(jìn)omentum，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)版圖與原理圖自動(dòng)同步，可以最大限度的提升設(shè)計(jì)精度。ADS的設(shè)計(jì)不僅僅能夠完成從集總參數(shù)到分布參數(shù)；從低 頻到高頻，也能夠?qū)崿F(xiàn)從線性 到非線性，從電路到電磁場。個(gè)別研究機(jī)構(gòu)也用ADS做單個(gè)器件到整機(jī)等全方位的設(shè)計(jì)。

1.2 ADS軟件技術(shù)應(yīng)用

通常來講，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過程擁有3個(gè)基本過程：

（1）設(shè)計(jì)電路的數(shù)學(xué)模型；

（2）建立仿真模型，同時(shí)對(duì)模型進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)計(jì)算；

（3）設(shè)計(jì)之后的最優(yōu)化分析。利用ADS軟件輔助設(shè)計(jì)過程的主要包括兩個(gè)方面。第一個(gè)方面是組織方式。

首先，是由教師以理論方式講解教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生理論性的認(rèn)識(shí)所學(xué)內(nèi)容，之后采取ADS軟件展開仿真分析，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。優(yōu)勢(shì)在于對(duì)系統(tǒng)性與連貫性的理論知識(shí)不影響，其次，是將理論知識(shí)的講解與使用仿真軟件輔助同步進(jìn)行。應(yīng)采取ADS軟件，展開仿真分析，使學(xué)生更充分的了解知識(shí)點(diǎn)。優(yōu)勢(shì)在于能夠提升ADS軟件分析的時(shí)效性，使學(xué)生能夠在短時(shí)內(nèi)掌握知識(shí)內(nèi)容。另一方面是操作方式。在利用ADS軟件時(shí)，一般情況下，教師需要借助多媒體播放系統(tǒng)，通過操作計(jì)算機(jī)，在教室主顯示屏中展示ADS軟件操作過程，引導(dǎo)學(xué)生觀察仿真分析過程與分析結(jié)果。

1.3 ADS軟件技術(shù)運(yùn)用中的注意事項(xiàng)

微波技術(shù)與電磁場課程，對(duì)學(xué)生的邏輯思維能力有著較高的要求，學(xué)生在學(xué)習(xí)中需要牢固掌握對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)造成了一定的難度，因此要了解ADS軟件技術(shù)運(yùn)用中注意事項(xiàng)，更好的輔助于學(xué)習(xí)。

（1）明確ADS軟件的直觀分析優(yōu)勢(shì)。充分理解理論知識(shí)、仿真分析結(jié)果以及仿真模型之間的聯(lián)系性。

（2）對(duì)比ADS軟件仿真分析的可行性。應(yīng)充分發(fā)揮出數(shù)字化的ADS軟件特點(diǎn)，將不同參數(shù)輸入到仿真過程中，所形成的仿真計(jì)算結(jié)果圖應(yīng)具有一定區(qū)別。與實(shí)驗(yàn)設(shè)備相比，ADS軟件具有環(huán)境要求低、成本低的特點(diǎn)。

（3）要注意分析細(xì)節(jié)。主要包括分析與探究定量計(jì)算、定性分析以及計(jì)算結(jié)果等。

2 微波網(wǎng)絡(luò)理論仿真輔助教學(xué)實(shí)例

微波技術(shù)與電磁場課程的教學(xué)實(shí)例是以微波網(wǎng)絡(luò)理論教學(xué)為主，基于此在仿真設(shè)計(jì)中引入濾波器，由教師展示微帶雙模帶通濾波器是利用電磁仿真ADS軟件進(jìn)行分析與仿真設(shè)計(jì)的，使抽象的理論轉(zhuǎn)變的更加形象具體化，學(xué)生也就能更加清楚的理解微波網(wǎng)絡(luò)理論知識(shí)。與此同時(shí)，應(yīng)使學(xué)生初步了解ADS仿真軟件，建立電磁場與微波技術(shù)理念，以便于在工程設(shè)計(jì)與分析的學(xué)習(xí)中將ADS仿真軟件做到學(xué)已利用，有效結(jié)合工程與理論，不斷提升學(xué)生的研究能力與應(yīng)用能力。

2.1 明確微波元件分析方法

微波系統(tǒng)中重要的組成部分包括微波原件，可以依據(jù)端口數(shù)目，將微波元件劃分為多端口、單端口以及雙端口。分析微波元件的方法主要包括兩種。

（1）是基于邊界條件與麥克斯韋方程組，對(duì)元件內(nèi)部場分布情況進(jìn)行分析。開展第一種方法的前提是明確電磁場理論，該方法相對(duì)嚴(yán)格，但在實(shí)際工程中，可以用該方法對(duì)復(fù)雜的微波元件進(jìn)行分析，完整求解電磁場方程與其存在的困難。

（2）微波網(wǎng)絡(luò)是微波原件等效，在描述微波元件特性時(shí)，可以采取微波網(wǎng)絡(luò)參量進(jìn)行描述，被稱為網(wǎng)絡(luò)分析法。開展該方法主要是對(duì)微波網(wǎng)絡(luò)各端口的問題進(jìn)行研究，從而獲取微波元件的特性，該方法雖然無法明確微波原件內(nèi)部分布電磁場的情況，但不必進(jìn)行大工程的數(shù)學(xué)計(jì)算。除此之外，想要了解微波網(wǎng)絡(luò)各個(gè)端口的參量，可以采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行直接測量，該方法被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中。

2.2 表述雙端口微波網(wǎng)絡(luò)理論

在微波系統(tǒng)中，雙端口元件應(yīng)用十分廣泛，比如轉(zhuǎn)換相移器、濾波器、連接原件以及同軸波導(dǎo)等。在微波頻段很難測量電壓與電流，應(yīng)引入波變量，明確波變量與端口電壓電流之間的聯(lián)系性。

2.3 表述雙端口微波網(wǎng)絡(luò)參量

參考面上雙端口網(wǎng)絡(luò)的電壓和電流之間的關(guān)系，描述方式可以選擇采用導(dǎo)納參量與阻抗參量，反射波與入射波在參考面上的關(guān)系，描述方式可以選擇散射參量，可以相互轉(zhuǎn)換各個(gè)參量。在微波系統(tǒng)中，可以通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量散射參量，因此，雙端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。

3 在電磁場與微波技術(shù)教學(xué)中應(yīng)用ADS軟件展開實(shí)踐

3.1 引導(dǎo)學(xué)生對(duì)濾波器特點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致觀察

在電磁場與微波技術(shù)教學(xué)中，可以采用微帶雙模帶通濾波器結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)演示效果，可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)濾波器特點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致觀察，并對(duì)比說明雙端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)示意圖，使學(xué)生更加深化了解雙端口元件知識(shí)點(diǎn)，形象地意識(shí)到由環(huán)形結(jié)構(gòu)的饋線結(jié)構(gòu)和諧振器組合而成雙模帶通濾波器，λg/4為環(huán)形諧振器的邊長，微擾結(jié)構(gòu)為諧振器右上角的正方形貼片，控制兩個(gè)模位置是微擾結(jié)構(gòu)的主要作用。

3.2 輔助學(xué)生對(duì)仿真結(jié)果展開分析

在日常教學(xué)中，所選用的介電常數(shù)是相對(duì)應(yīng)，介電常數(shù)εT=9.6，h=0.8mm是介質(zhì)基片材料的介質(zhì)板厚度，2.1GHz是雙模帶通濾波器所設(shè)定的工作頻率，想要獲得s參數(shù)，可以借助ADS 仿真軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。可以引導(dǎo)學(xué)生分析仿真結(jié)果，使學(xué)生更加深化地認(rèn)識(shí)雙端口微波網(wǎng)絡(luò)參量知識(shí)，通過日常教學(xué)以及結(jié)果界面的圖形化情況，使學(xué)生明確ADS軟件仿真結(jié)果。在電磁場與微波技術(shù)教學(xué)中，可以通過改變微擾結(jié)構(gòu)尺寸，使學(xué)生對(duì)S參數(shù)改變情況進(jìn)行參觀，更加直觀的認(rèn)識(shí)S參數(shù)。

3.3 借助仿真軟件輔助學(xué)生提升學(xué)習(xí)效果

開設(shè)電磁場與微波技術(shù)課程，教學(xué)條件應(yīng)能夠開展仿真軟件教學(xué)，在教學(xué)中要求學(xué)生具備良好的獨(dú)立學(xué)習(xí)研究能力。開展ADS仿真軟件，輔助電磁場與微波技術(shù)教學(xué)后，在課堂中，學(xué)生對(duì)使用仿真軟件產(chǎn)生了學(xué)習(xí)興趣，能夠更好與學(xué)生展開互動(dòng)，明顯提升了學(xué)生的積極性。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，90%以上的學(xué)生認(rèn)為與板書、PPT公式推導(dǎo)教學(xué)相比，ADS仿真軟件輔助教學(xué)更加生動(dòng)形象，也有一部分學(xué)生認(rèn)為仿真軟件結(jié)合了理論與實(shí)踐，起到了良好的積極作用。運(yùn)用ADS仿真軟件輔助電磁場與微波技術(shù)教學(xué)，可以使學(xué)生初步掌握仿真軟件設(shè)計(jì)，在教學(xué)微帶帶通濾波器課題時(shí)，可以利用仿真軟件，優(yōu)化參數(shù)與設(shè)計(jì)創(chuàng)新，有效提升設(shè)計(jì)效率。結(jié)合ADS仿真軟件與硬件實(shí)驗(yàn)，有利于增強(qiáng)學(xué)生設(shè)計(jì)硬件的自信心。

4 結(jié)語

綜上所述，是對(duì)ADS軟件在電磁場與微波技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行分析探究。在電磁場與微波技術(shù)課程中應(yīng)用ADS軟件，不僅可以使學(xué)生更加深刻的了解課本理論知識(shí)，增強(qiáng)課堂教學(xué)效果，也可以使學(xué)生對(duì)微波仿真軟件的基本用法有所了解，不斷增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力，為之后的工程學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。