基于項目驅動的《電磁場與電磁波實驗》教學案例研究

廖 臻 廖志斌 劉宇平

（[1]杭州電子科技大學 浙江·杭州 310018；[2]新余學院 江西·新余 338000）

1 利用工程問題構建《電磁場與電磁波實驗》教學案例

傳統的《電磁場與電磁波實驗》課程教學以教師為主體、學生為主導被動的去學習知識。教學方式是 PPT演示的模式。教材內容固定，使得學生很難提高學習的興趣和積極性。沒有實際性的例子，學生對于復雜和抽象的概念很難理解和應用。利用項目需求構建《電磁場與電磁波實驗》的教學案例，其目的在于改變現在學生被動式的學習方式，為學生構建全新的學習途徑，更好的綜合運用于課程知識，培養學生的創新精神和實踐能力。

自從2002年2月，美國聯邦通信委員會（FCC）正式將3.1-10.6 GHz的超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）頻段批準用于民用通信以后，超寬帶天線開始受到世界各國的廣泛關注。并且隨著高速集成電路的發展，目前超寬帶天線的研究方向主要集中在小型化、集成化等方向。

2 超寬帶單極子天線設計與電磁仿真

本文中作為典型工程項目的超寬帶天線的具體結構和尺寸如圖1所示。采用圓形單極子作為天線主輻射單元，饋電部分采用的是50歐姆微帶線饋電，天線的結構十分簡單。該天線印刷在相對介電常數為4.4、厚度為1.6 mm的FR4介質板上。

圖1：天線結構

使用CST微波工作室對天線進行電磁仿真，得到該超寬帶單極子微帶天線的反射系數曲線，如圖2所示。反射系數小于-10dB的頻率為2.8到10.8 GHz，工作帶寬為8 GHz，相對帶寬為117%滿足超寬帶天線的定義。

圖2：天線反射系數

為了分析天線的輻射特性，在工作頻段內選擇5GHz和10GHz兩個頻點進行研究。圖3給出了天線在5GHz和10GHz的仿真三維方向圖。從結果可以看出天線在低頻時基本呈現良好的輻射特性。取5GHz和10GHz兩個頻點研究天線增益方向圖。仿真結果顯示在5GHz時，天線的增益為2.41dBi，天線呈全向輻射；在10GHz時，天線的增益為6.9dBi。該天線性能符合超寬帶天線的設計要求。

本案例以設計符合項目需求的超寬帶天線為目的，構建超寬帶圓形單極子微帶天線。以項目驅動的教學方法將提升學生在學習過程中的成就感，提高學習興趣。同時在教學過程中可以將建模仿真的過程錄制成教學錄像，上傳至網絡教學平臺，供學生學習，進一步提高學生的學習效率。

3 結論

超寬帶天線設計作為以項目驅動的《電磁場與電磁波實驗》教學案例，能夠緊跟科學前沿并與工程項目需求緊密聯系。同時，通過仿真軟件形成可視化的電磁場模型，幫助學生更好地理解和掌握電磁場與電磁波理論，了解電磁波的應用前景和市場需求，對于《電磁場與電磁波實驗》的教學改革具有一定的參考意義。

圖3：天線方向圖（a）5GHz時遠場三維方向圖；（b）10GHz時遠場三維方向圖