“天線與電波傳播”課程中運(yùn)用電磁仿真的探索

鄭月軍，丁 亮，陳 強(qiáng)，付云起，劉 燚

（國防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073）

“天線與電波傳播”是電子信息類本科專業(yè)的核心課程，主要學(xué)習(xí)天線輻射的基本原理、主要參數(shù)、典型天線及陣列、電波傳播的基礎(chǔ)方法及手段等。天線與電波傳播是電子信息系統(tǒng)的重要組成部分，主要完成微波信號的發(fā)射、傳播和微波信號的接收等功能，在通信、雷達(dá)、電子對抗、導(dǎo)航等電子系統(tǒng)中不可缺少，應(yīng)用面很廣。因此本課程是一門重要的專業(yè)必修課程，既具有較強(qiáng)的理論性，又具有很強(qiáng)的應(yīng)用性。

“天線與電波傳播”這門課程的理論基礎(chǔ)來源于電磁場理論，包含大量數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，要求學(xué)生具有扎實(shí)的高等數(shù)學(xué)及大學(xué)物理知識基礎(chǔ)，并且天線輻射的電磁波“看不見，摸不著”，在課本中只能利用一些抽象概念和二維圖表來描述天線相關(guān)參數(shù)和輻射特性［1］。這對學(xué)生抽象思維和物理思維也提出了一定要求，所以大部分學(xué)生對這門課程容易產(chǎn)生“難學(xué)、難懂、枯燥無味”等負(fù)面印象，且容易“傳染”給其他學(xué)生，導(dǎo)致課堂氛圍沉悶，學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下，甚至部分學(xué)生直接“躺平”放棄學(xué)習(xí)。針對這種情況，根據(jù)工程實(shí)際需求，建議提高對基本概念、物理含義和設(shè)計(jì)能力的要求，降低對掌握數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)、復(fù)雜理論的要求，同時增加電磁仿真內(nèi)容，并將電磁仿真內(nèi)容提高到與其他教學(xué)內(nèi)容相同的地位［2-4］。工欲善其事，必先利其器。運(yùn)用電磁仿真進(jìn)行教學(xué)，有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生理論知識聯(lián)系工程實(shí)際的能力，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力使其接觸實(shí)際的應(yīng)用問題，為學(xué)生走出課堂就能走向工程應(yīng)用打好基礎(chǔ)。

一、課堂中運(yùn)用電磁仿真的探索

（一）化抽象的概念為具象、動態(tài)的圖像

“天線與電波傳播”課程概念多且抽象，學(xué)生較難理解并掌握好這些基本概念，運(yùn)用電磁仿真可有效解決，這也是電磁仿真軟件的一大優(yōu)勢所在。比如在講解微帶天線輻射場時，電磁仿真可直接仿真出彩色三維方向圖，如圖1所示，利用電磁仿真軟件仿真了微帶天線的3D輻射方向圖，顏色表示輻射的強(qiáng)弱，學(xué)生從圖中可以看出，其中表示輻射能量比較強(qiáng)的紅色主要聚集在z軸方向，因此可判斷出微帶天線主要朝前向輻射，且紅色最大值達(dá)到7.3dBi，由此也可知這個微帶天線的最大增益為7.3dBi。另外也可在三維方向圖中增加切面，直接顯示其E面和H面方向圖，學(xué)生印象直觀，提高對此概念的理解度。此外，在講解天線方向性系數(shù)、增益、效率、阻抗匹配等概念時，利用電磁仿真參數(shù)可任意修改的優(yōu)勢，通過修改部分參數(shù)進(jìn)行動態(tài)對比，這種對比有利于促進(jìn)學(xué)生對這些概念的掌握。另外，電磁仿真還具有表面電流、輻射電場等動態(tài)顯示，利用這些動態(tài)圖像學(xué)生能清楚知道天線哪些地方可產(chǎn)生輻射，輻射方向朝向哪里，輻射的極化如何，等等，如圖2所示，給出了陣列天線在不同頻點(diǎn)處的表面電流分布，圖中顏色表示電流的強(qiáng)弱，學(xué)生通過電流分布圖可判斷出，在5.8GHz處，45°斜角的天線單元表面電流較強(qiáng)而135°斜角的天線單元表面電流較弱，說明45°斜角的天線單元諧振產(chǎn)生輻射，而在7.04GHz，135°斜角的天線單元表面電流較強(qiáng)而45°斜角的天線單元表面電流較弱，說明135°斜角的天線單元諧振產(chǎn)生輻射，這種判斷非常直觀。

圖1 微帶天線3D輻射方向圖

圖2 陣列天線表面電流分布

（二）增加課堂互動，活躍課堂氛圍

電磁仿真功能豐富，里面操作很多，不同操作會產(chǎn)生不同效果，學(xué)生會遇到各種問題。相比于傳統(tǒng)課堂上學(xué)生對枯燥理論知識可能聽得云里霧里而提不出什么問題，電磁仿真操作簡單，對學(xué)生來說也是新鮮事物，學(xué)生更愿意提出問題,而且在電磁仿真中，有些問題是與計(jì)算機(jī)相關(guān)的，比如就簡單的電磁仿真軟件觀察天線3D方向圖，設(shè)置不同的參數(shù)，顯示就不一樣，有可能有的學(xué)生設(shè)置錯誤，產(chǎn)生了不同的現(xiàn)象，這些參數(shù)化設(shè)置問題就可能成為學(xué)生提問的地方。另外，電磁仿真與課堂知識緊密關(guān)聯(lián)，增加了學(xué)生提出問題的途徑。通過電磁仿真產(chǎn)生各種新奇的現(xiàn)象、新式的表現(xiàn)，學(xué)生會更加集中注意力，更加愿意參與到課堂中來。

（三）拓展課程形成性評價的維度

目前對課程考查更加注重多維度，可適當(dāng)減少煩瑣公式推導(dǎo)的習(xí)題，增加天線設(shè)計(jì)的操作練習(xí)，并把學(xué)會并掌握一種電磁仿真工具作為學(xué)生額外加分項(xiàng)。在課程學(xué)習(xí)后半段，利用電磁仿真分組設(shè)計(jì)實(shí)踐作業(yè)，并根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況分層次組織，對于基本學(xué)會的學(xué)生可布置簡單仿真作業(yè)甚至復(fù)現(xiàn)課堂中電磁仿真實(shí)例，對于學(xué)有余力的學(xué)生布置稍復(fù)雜的設(shè)計(jì)甚至是科研項(xiàng)目中需要的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，仿真結(jié)束后可進(jìn)一步加工實(shí)物測試并撰寫學(xué)術(shù)論文。比如筆者前期設(shè)置了4個實(shí)踐作業(yè)并提出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。（1）設(shè)計(jì)PCB偶極子天線，設(shè)計(jì)要求：工作在C波段且VSWR＜2的相對帶寬＞50%，波束寬度不小于100°；（2）設(shè)計(jì)貼片八木天線，設(shè)計(jì)要求：工作在X波段且VSWR＜2相對帶寬不小于30%，最大增益＞9dBi；（3）設(shè)計(jì)雙頻微帶天線，設(shè)計(jì)要求：工作在L和C波段且兩個工作中心頻點(diǎn)至少相隔500M，VSWR＜2帶寬為低頻段不低于10%而高頻段不低于15%，波束寬度：不低于60°；（4）設(shè)計(jì)Vivaldi超寬帶天線，設(shè)計(jì)要求：VSWR＜2工作頻帶為4.0～12.0GHz，最小增益＞3dBi。每組學(xué)生可自由從這4個實(shí)踐作業(yè)中選擇一個進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過這種電磁仿真實(shí)踐作業(yè)，有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、動手能力、創(chuàng)新能力，為課程提供了另一維度的評價。因此，通過電磁仿真增加了對學(xué)生評價的維度，也讓學(xué)生得到更加公平的評價。

二、課程電磁仿真使用軟件思考

針對“天線與電波傳播”這門課程的特點(diǎn)，建議優(yōu)先選用ANSYS公司出品的三維電磁仿真軟件HFSS（High Frequency Structure Simulator），選用 的主要原因有以下三點(diǎn)。

第一，HFSS軟件是世界上第一個商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，HFSS以其無與倫比的仿真精度和可靠性、快捷的仿真速度、方便易用的操作界面、穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，成為高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能，是當(dāng)今天線設(shè)計(jì)最流行的設(shè)計(jì)軟件。HFSS可為天線及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供全面的仿真功能，精確仿真計(jì)算天線的各種性能，包括二維、三維遠(yuǎn)場/近場輻射方向圖、天線增益、軸比、半功率波瓣寬度、內(nèi)部電磁場分布、天線阻抗、電壓駐波比、S參數(shù)等，還可繪制極化特性，包括球形場分量、圓極化場分量、Ludwig第三定義場分量［5］。

第二，HFSS軟件出品公司尤其針對天線設(shè)計(jì)，推出了天線輔助設(shè)計(jì)工具（Antenna Design Kit，ADK），這極大地方便了學(xué)生使用HFSS軟件設(shè)計(jì)天線。HFSS ADK這個輔助設(shè)計(jì)工具自帶偶極子天線、貼片天線、平面螺旋天線、Vivaldi天線、對數(shù)周期天線等共12類26種常用的天線模型。對于幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的天線類型，HFSS ADK同樣能夠方便地實(shí)現(xiàn)滿足各種數(shù)學(xué)公式的天線模型建立，如：對數(shù)周期、正弦曲線、指數(shù)曲線等。用戶只需簡單地輸入物理尺寸、工作頻段等參數(shù)，HFSS ADK就能夠直接生成包括模型、邊界、求解設(shè)置、后處理報告等信息在內(nèi)的完整的HFSS項(xiàng)目文件。因此，利用HFSS ADK這個輔助工具，學(xué)生只需簡單地選擇天線類型、輸入設(shè)計(jì)的工作頻點(diǎn)即可得到相應(yīng)天線的尺寸與模型，進(jìn)而自動生成HFSS 工程并完成諸如邊界條件、求解頻率等所有HFSS 中天線仿真的設(shè)置。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生還可以自行修改參數(shù)以獲知天線特性改變的規(guī)律，甚至可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

第三，HFSS軟件學(xué)習(xí)資料和使用HFSS設(shè)計(jì)天線的配套學(xué)習(xí)資料相對完備。HFSS軟件學(xué)習(xí)書籍很多，比如李明洋編寫的《HFSS電磁仿真設(shè)計(jì)從入門到精通》《HFSS電磁仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用詳解》《HFSS天線設(shè)計(jì)》，謝擁軍編寫的《HFSS原理與工程應(yīng)用》，徐興福編寫的《HFSS射頻仿真設(shè)計(jì)實(shí)例大全》等都是學(xué)生可使用的書籍資料，尤其是李明洋編寫的《HFSS天線設(shè)計(jì)》一書，是目前筆者見到的非常詳細(xì)地專門介紹利用電磁仿真軟件設(shè)計(jì)天線的書籍，對于初學(xué)天線設(shè)計(jì)的學(xué)生具有非常大的參考價值，也是筆者初學(xué)天線設(shè)計(jì)時經(jīng)常翻閱的一本書。除了書籍學(xué)習(xí)資料，還有視頻學(xué)習(xí)資料，比如《兩周學(xué)會HFSS》及嗶哩嗶哩網(wǎng)站上天線HFSS仿真視頻。HFSS軟件具有比較完備的學(xué)習(xí)資料，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的門檻，也能讓學(xué)生盡快學(xué)會軟件操作，并運(yùn)用HFSS軟件進(jìn)行天線設(shè)計(jì)，提升學(xué)習(xí)效率。

三、學(xué)生掌握電磁仿真的作用

學(xué)生運(yùn)用電磁仿真有助于強(qiáng)化對課程知識的理解。借鑒課后習(xí)題的思路，如在課堂講解中使用了電磁仿真教學(xué)實(shí)例，在課后布置相似而不相同的練習(xí)作業(yè)。學(xué)生通過強(qiáng)化練習(xí)，加深理解其中蘊(yùn)含的相關(guān)概念。另外，學(xué)生將強(qiáng)化練習(xí)的結(jié)果私信發(fā)給老師，在強(qiáng)化練習(xí)過程中遇到相關(guān)問題，可以請會的學(xué)生指導(dǎo)不會的學(xué)生，這樣進(jìn)一步加深了學(xué)生對相關(guān)知識的理解和掌握，并且通過互幫互助，有利于在學(xué)生當(dāng)中形成學(xué)習(xí)“天線與電波傳播”這門課程的良好氛圍。

學(xué)生運(yùn)用電磁仿真有助于增強(qiáng)理論與實(shí)際的聯(lián)系。“天線與電波傳播”這門課程更加注重學(xué)以致用，學(xué)生僅停留在理論分析上是不夠的，會與后續(xù)工程應(yīng)用脫節(jié)。電磁仿真在工程應(yīng)用中會頻繁使用，學(xué)生掌握了一種電磁仿真工具，至少在日后工程應(yīng)用中可自信應(yīng)對。并且，電磁仿真是一種成本非常低的途徑，這也有助于在本科階段推廣學(xué)習(xí)和使用。另外，通過完成分組實(shí)驗(yàn)作業(yè)，可鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主分析、自主設(shè)計(jì)的能力，這也是工程應(yīng)用對學(xué)生的基本要求。

學(xué)生運(yùn)用電磁仿真有助于消除對課程學(xué)習(xí)的畏難情緒。電磁仿真操作簡單，學(xué)生上手操作較快。在學(xué)習(xí)中可首先結(jié)合視頻學(xué)習(xí)李明洋編寫的《HFSS 電磁仿真設(shè)計(jì)從入門到精通》，熟悉并會使用HFSS軟件，然后再學(xué)習(xí)《HFSS天線設(shè)計(jì)》書中的案例，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心，同時也讓學(xué)生明白，雖然天線課上有繁雜的公式推導(dǎo)，但經(jīng)過前人的不斷努力已可以采用電磁仿真進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算了，這大大降低了天線設(shè)計(jì)的要求，有助于消除學(xué)生對這門課程“難學(xué)、難懂”的恐懼心理，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)上也會更加積極主動，建立良性循環(huán)。

結(jié)語

針對學(xué)生對學(xué)習(xí)“天線與電波傳播”這門課程的現(xiàn)實(shí)情況，筆者認(rèn)為可將電磁仿真提高至與其他教學(xué)內(nèi)容并重的地位，并積極運(yùn)用電磁仿真進(jìn)行教學(xué)，提升課堂教學(xué)效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率，建立課程學(xué)習(xí)良性循環(huán)，達(dá)到學(xué)生和老師“雙贏”的效果。