“微波技術與天線”課程教學改革探索

毛煜茹 楊志良 孫鵬 姚金杰

［摘 要］ “微波技術與天線”課程是信息對抗技術類大學生的專業基礎課，是學生專業知識結構、能力達成矩陣中的重要組成部分，在培養學生解決復雜工程問題能力的過程中具有重要的理論支撐作用。針對課程教學過程中出現的難教難學問題，探索教學方法的改革。采用多樣化的教學方式，在課堂教學環節引入案例教學法以及課堂主題討論法；在原有驗證性微波實驗的基礎上，增加電磁模擬仿真實踐教學環節，建立微波仿真平臺、開設仿真實驗等，將電磁仿真軟件如Ansys HFSS引入“微波技術與天線”課程的實踐教學，培養學生自主學習和探索的能力。通過一系列的教改措施，幫助學生靈活掌握專業基礎知識，提升其分析、解決信息對抗技術領域復雜工程問題的能力。

［關鍵詞］ 微波技術與天線；教學改革；案例教學；電磁仿真

［基金項目］ 2021年度中北大學高等教育教學改革項目“工程教育認證背景下《微波技術與天線》教學改革與實踐”（2021132）；2021年度山西省教育廳高等學校教學改革創新項目“基于OBE理念的《微波技術與天線》課程教學設計”（J2021397）

［作者簡介］ 毛煜茹（1984—），女，山西晉城人，博士，中北大學信息與通信工程學院講師（通信作者），主要從事微波技術、天線工程研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）16-0060-04［收稿日期］ 2022-05-10

引言

“微波技術與天線”課程是信息對抗技術類大學生的專業基礎課，是一門理論性和工程性并重的基礎課程［1-2］，其主要教學內容包括微波技術基礎及天線基本理論兩部分，其中微波技術基礎部分主要涉及的內容有微波傳輸線、微波元件、微波網絡等，天線基本理論部分的主要內容有天線的基本原理及特性分析。該課程的培養目標主要如下：使學生掌握微波傳輸線、微波元件、微波網絡、天線的基本結構及原理；應用理論知識對實際工程問題中的多種方案進行分析和選擇，并說明其合理性；能夠根據用戶的特定需求確定方案，設計相關的微波電路、微波系統、天線系統，解決專業相關領域的復雜工程問題。上述課程目標對培養學生具備分析、解決復雜電磁工程問題的能力具有重要的作用，為學生從事微波電路設計、微波系統的研發制造等工作儲備工程知識。然而，“微波技術與天線”課程涉及的知識面比較廣，包括電磁場理論、電路基礎、微波技術基礎及天線基本理論［3-5］，要掌握這門課程，需要非常扎實的基礎知識，如物理學、高等數學、數學物理方法等相關知識，學生恰恰對這些學科的知識掌握不扎實，對所要學習的微波知識缺乏正確的認識，無法理解其抽象的應用場景，在學習該課程時會感到吃力，理解不透徹，無法有效掌握該課程的知識點，學習積極性不高。

一、“微波技術與天線”課程教學存在的問題

第一，學生在通識課程體系中已經完成“高等數學”“電磁場與電磁波”和“大學物理”等先修課程的學習，為“微波技術與天線”課程的學習儲備了基礎知識，但由于學時和學分的影響，并沒有單獨設置“數學物理方法”課程，而是將其知識點穿插在其他課程中講授，導致學生無法系統地學習數學物理方法，影響其掌握“微波技術與天線”這一課程。另外，“微波技術與天線”的大部分理論內容繼承自“電磁場理論”課程，所以“微波技術與天線”課程難度更大，學生運用數學物理知識和電磁場理論去理解、掌握微波理論以及解決微波工程問題不夠熟練。

第二，“微波技術與天線”課程公式繁雜，具有很強的抽象性和理論性。微波問題必須用麥克斯韋方程和邊界條件加以解決，從而得到求解域的電磁場分布，這種方法為“場”方法。然而，作為偏微分方程組的麥克斯韋方程求解難度大，需要找出第二種研究方法解決微波問題，即“路”的方法，將“場”方法等效為“路”方法，化“場”為“路”。使低頻電路里的電壓、電流和阻抗參數與微波電磁理論里的電場、磁場和波阻抗參數等效，這些概念上的等效給初學者帶來了較多的困惑。以傳輸線為例，傳輸線理論利用“路”方法分析了微波傳輸線的特性，得出了很多有用的結論，而導波系統則采用了“場”方法求解波導傳輸線的場分布，很多學生對傳輸線理論得出的結論是否適用于導波系統存在疑問，在學習的過程中，學生無法清晰地建立物理概念，無法靈活運用所學知識。

第三，“微波技術與天線”課程有很多結論、經驗公式是從實踐中得來的，具有很強的理論性和工程性。課程中的所有內容都可以用來解決實際電磁工程問題，課程所涉及的傳輸線如波導、同軸線、微帶線，常用微波元器件以及天線都是實際電磁系統中的重要組成部分，對微波部件的設計至關重要，而教學中主要偏重理論教學，講授重要的概念及其原理，實踐教學的比重較低。“微波技術與天線”主要為實際的工程設計、工程應用服務，根據調研，學生對該課程的背景了解不足，更不清楚該課程的具體應用方向以及能夠解決什么樣的工程問題，只是在教師的要求下被動學習，缺乏積極主動學習的熱情。例如，微波技術中常用的矩形波導、環形器、定向耦合器和諧振器等微波元件，學生無法想象其具體的應用場景，而且由于教學資源有限，只能展示三維圖片或者仿真模型，無法為學生提供具體的實物展示，實踐與理論脫離，學生缺少設計微波元器件的條件，很難將理論知識與實際的工程應用靈活結合，缺乏學習主動性，影響整個課程的學習。

總之，學生在學習“微波技術與天線”課程時，缺乏積極性，學習質量不高，重要知識點難以靈活掌握，迫切需要對教學方式進行改革。

二、課程教學改革探索與實踐

（一）激發學生的學習興趣，教學方式多樣化

合理利用學生的課下時間，課前給學生布置任務，將課堂上會用到的基礎知識點以作業的形式在網絡學習平臺上布置，教師能夠及時掌握學生的學習動態。正式上課前，先布置預習思考題，課程結束后，通過網絡學習平臺對布置的思考題進行測驗。比如，在學習傳輸線理論中的電報方程時，提前在網絡平臺讓學生復習均勻平面波的波動方程，課程完成后布置測試題目，對比均勻平面波的波動方程與無耗微波傳輸線的傳輸方程的異同，將電磁場理論中學到的基礎知識靈活應用于均勻傳輸線的特性分析，將前后知識統一起來，這樣不僅能夠幫助學生加深對理論知識的理解，還能激發學生學習的熱情。為了讓學生掌握這門課程的重要知識點，教師通過移動終端向學生推送簡短的教學視頻和教學文檔，這些教學視頻的時常通常為5～8分鐘，每個視頻和文檔都包含一個知識點，學生利用碎片化時間就可以將課堂上講過的重點和難點重新復習一遍，通過網絡平臺與學生進行交流，及時掌握學生的學習動態。

為提升學生學習的積極性，利用多媒體授課與板書相結合的方式進行課堂教學。教材中關于均勻無耗傳輸線的幾種工作狀態、波導傳輸線中的電磁場、電流的動態分布等內容對學生來說比較抽象，難以想象和理解，可利用動畫演示傳輸線上電壓、電流的變化，以及波導內電磁場、電流的變化，使復雜的理論變得直觀、易理解，激發了學生的學習興趣。在理論教學環節，如果教師單獨教授，學生容易產生疲勞感并降低學習的積極性，也不容易集中注意力。為了解決這種情況，可采用課堂主題討論法、教師講授、學生做報告等多種教學方式相結合的方式，引導學生學習。例如，為了活躍課堂氣氛，集中學生注意力，可以利用微助教、學習通或者云課堂等網絡教學平臺，組織學生分組討論和回答問題，提升每位學生的課堂參與度。同時，教師也要不斷更新多媒體課件，對抽象的理論知識點用更容易理解、更加生動的PPT或動畫進行展示，這就要求教師要不斷提升業務能力，注重個人知識的積累。

（二）增加案例教學

在教學過程中提高案例教學法的比例，合理安排教學內容，教師設計教學案例，通過案例展示重點和難點，引導學生深入學習，通過講解微波技術在實際工程中的應用，激發其學習興趣，提高學生對知識點的掌握程度。

在講微波傳輸線理論時，學生會提出疑問：“這里的傳輸線和低頻電路里的銅導線有什么區別？為什么微波不能用銅導線進行傳輸？”對此可以設計一個案例，微波傳輸最明顯的特征是微波傳輸線，在低頻電路中，電路幾乎均勻地分布在導線內，當頻率升高導致集膚效應出現，導體中的電流、電荷和場都集中在導體表面。和直流信號2 mm的導線半徑相比，在相同的導線損耗情況下，微波信號頻率為10 GHz時導線半徑在3 m左右，而相同的線徑微波信號的損耗將增加1 500倍，所以微波信號必須有自己的傳輸線，即微波傳輸線，如雙導線、同軸線等，這就是微波不能用普通的電線進行傳輸的原因。

在講到矩形波導TE10波內壁電流分布和電磁場分布時，可以引入波導測量線和波導縫隙天線的設計案例，這兩種元件都是微波工程中常用的元器件，相同之處都是在波導壁上開縫形成的，但是設計原理卻有本質區別。波導測量線在波導壁上開縫的原則是不切割電流，不破壞波導壁上電流的流動路徑，而波導縫隙天線的設計原則是必須切割電流，阻斷電流的流動路徑，才能向外輻射電磁波，在波導中凡是切斷電流都要引起輻射和損耗。通過這樣的案例設計和分析，使理論基礎與實踐設計緊密結合，不僅能激發學生學習的積極性，還能將知識融入實際工程設計，為以后的微波設計工作打牢基礎。

在講到天線理論時，可以設置專題討論環節，對當下的研究熱點5 G及6 G通信中MIMO天線技術進行探討。教師結合自己的研究方向，向學生介紹目前天線技術的研究方向和熱點，例如基于人工電磁材料的天線技術，5 G及6 G通信中MIMO天線的技術探討，智能超表面技術在5 G通信中的應用等，在課堂上展示科研成果，學生可以直觀感受什么是人工電磁材料，什么是天線，兩者如何組合在一起實現功能的增強，進一步認識到學好這門課程的重要性，激發學生的學習熱情。

（三）建立微波技術仿真平臺，開設電磁仿真實驗

實踐教學是使學生理論聯系實際的有效方式，培養其創新能力以及分析、解決問題的能力。本課程的基礎實驗大多屬于驗證性實驗，學生按照實驗指導書操作波導測量線，將實驗結果與理論計算結果進行對比，從而加深對理論知識的理解，掌握微波器件的工作原理。然而，學生缺乏主動學習的積極性，驗證性實驗教學無法滿足工程化教學的要求。

通過構建基于HFSS的微波技術仿真平臺，將HFSS仿真實例引入課程的實踐教學，可提高學生的學習興趣，加深學生對重難點知識的理解。在驗證性實驗的基礎上增加基于電磁仿真軟件的微波元件設計實驗，旨在培養學生的實踐創新能力，提高學生分析和解決問題的能力。設計實驗利用HFSS對微波元件及微帶天線進行設計及仿真，從理論設計到模型建立再到結果分析，提高學生自主學習和探索的能力，培養了其實踐創新能力，為學生日后從事微波設計工作奠定堅實的基礎。要順利進行基于HFSS的仿真實驗，教師會利用2個學時的時間進行HFSS軟件的學習教學，讓學生掌握基本操作。這些仿真實驗可以是教材中常用的微波元件的設計，如驗證魔T元件的一般性質的驗證，學生可以在建模、仿真及結果分析等過程中掌握魔T的基本參數及其具體用途。天線的基本理論部分內容比較抽象，數學公式很多，內容枯燥乏味，學生學習的積極性不高，對此可以引入一些簡單天線的設計實驗輔助教學，如電偶極子天線的設計和仿真，通過仿真軟件可以直觀感受天線的二維方向圖和三維方向圖，這樣更容易接受天線理論的學習，提高其學習興趣。另外，教師可根據自己的研究方向和科研項目設置一些子課題，組織和鼓勵學生參與項目研究，將理論知識和實踐應用相結合，提高學生自主設計和調試的能力。

（四）考核方式的改革

“微波技術與天線”課程以往的考核方式為理論知識點的閉卷考試成績、課后作業成績和實驗成績的加權之和，這種考核方式無法合理反映學生對課程的掌握程度。實驗環節僅為驗證性實驗，只體現了學生的實際動手操作能力以及對一些實際工程問題中的關鍵環節和參數的處理能力，并不能體現對微波電路、微波系統、天線系統等的設計能力以及學生自主探索的能力。因此，在原來考試和平時考核方法的基礎上，改為以畢業設計的要求和模式進行考核，即在學期初給出題目及設計任務書，課程結束后進行設計答辯，整個實踐環節貫穿整個學期，其中，考核的內容主要為微波元件的設計及仿真、微帶天線的設計及仿真，為其畢業設計認識和實踐奠定基礎。

結語

本文通過分析“微波技術與天線”課程教學目前存在的問題，提出了一些教學改革方案。采用多樣化的教學方式，引入案例教學法、課堂主題討論等方法，激發學生的學習熱情，提高學生在教學過程中的參與度。通過建立電磁軟件仿真平臺，引入仿真設計性實驗，對微波元件和天線進行設計和電磁仿真，促進學生對微波理論的理解，培養學生利用微波理論分析解決電磁工程問題的能力。在今后的教學中要注重教學案例的設計，從具體應用出發引入知識點，提高學生的學習積極性；在仿真設計實驗環節，更加注重學生自主學習和探索的能力，教師給出具體的性能指標，學生自主完成模型設計、仿真優化以及結果分析，讓學生打牢理論基礎，成為高質量的微波工程技術人才。

參考文獻

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［5］段俊萍，秦麗，張斌珍.微波技術基礎本科教學改革［J］.教育教學論壇，2017（5）：135-136.

Abstract： The course microwave technology and antennas is a specialized basic course of the students majoring in information countermeasure technology， which is an important part of the professional knowledge structure and ability achievement matrix. The course plays an important theoretical support role in the process of cultivating students ability to solve complex engineering problems. Considering the difficulties of teaching and learning in this course， this paper analyzes the problems existing in the teaching of course microwave technology and antenna， and proposes several teaching reform programs. The case teaching method is introduced in theoretical teaching to motivate students to learn. Furthermore， in practice teaching， microwave simulation platform Ansys HFSS and simulation experiment are established to improve the ability to analyze and solve problems.

Key words： Microwave Technology and Antennas; teaching reform; case teaching; electromagnetic simulation