“新工科”背景下電磁場與電磁波實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

馬 力 董 敏 王鵬騛 李瑞陽

（鄭州大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

1 引言

自2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗(yàn)，助力高等教育強(qiáng)國建設(shè)，旨在培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才[2,3]。在新工科的背景下，對高等教育創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問題的能力提出了更高的要求。

電磁場與電磁波課程作為電子信息類和通信工程類專業(yè)的專業(yè)核心課程，其課程特點(diǎn)是用數(shù)學(xué)方法詮釋物理現(xiàn)象，理論性偏強(qiáng)，所以學(xué)生往往會出現(xiàn)畏難情緒。現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容多是利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行的驗(yàn)證性測試，強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生測量技能的訓(xùn)練和理論的驗(yàn)證，學(xué)生往往是機(jī)械、被動地重復(fù)。為了調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，取得更好的教學(xué)效果，多所高校在電磁場與電磁波課程的教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等方面做出了積極的探索與實(shí)踐[4-7]。

在新工科的背景下，為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問題的能力，基于學(xué)生對應(yīng)用實(shí)例和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更感興趣的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入HFSS電磁仿真內(nèi)容[8-10]，一方面讓學(xué)生掌握HFSS電磁仿真軟件的設(shè)計(jì)和仿真過程，有效提升學(xué)生的應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力、分析問題與解決問題的能力；另一方面使學(xué)生從理論到仿真設(shè)計(jì)，從數(shù)學(xué)推導(dǎo)到可視化感受，讓學(xué)生多維度感受理論所學(xué)與實(shí)際所用之間的緊密關(guān)系。

本文提出將HFSS電磁仿真內(nèi)容引入電磁場與電磁波的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過學(xué)生對理論授課中熟悉的偶極子天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和微帶設(shè)計(jì)，加深學(xué)生對天線性能參數(shù)的理解，提高了學(xué)生對電磁場與電磁波課程學(xué)習(xí)的興趣，對培養(yǎng)學(xué)生的解決復(fù)雜工程問題的能力和科研思維大有裨益。

2 偶極子天線理論分析

偶極子天線是無線通信中使用最早、結(jié)構(gòu)最簡單、應(yīng)用最廣泛的一類天線。由于實(shí)際的天線可看成是許多電偶極子天線的串聯(lián)組合，所以偶極子天線常常作為電磁場與電磁波教材的授課實(shí)例被重點(diǎn)講授[11]。

在電磁場與電磁波的教學(xué)過程中，偶極子天線因其結(jié)構(gòu)簡單，往往作為仿真案例引入到理論和實(shí)驗(yàn)課程中，如圖1（a）所示是偶極子天線的電磁模型，圖1（b）所示是偶極子天線的三維方向圖。

圖1 偶極子天線仿真圖

3 偶極子天線的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

偶極子天線的結(jié)構(gòu)簡單，但是方向圖隨電長度而變化，當(dāng)頻率固定時，天線的尺寸隨定向性能提高而變大。為了實(shí)現(xiàn)小型化，讓學(xué)生在掌握偶極子天線理論知識的基礎(chǔ)上，嘗試?yán)肏FSS軟件對折疊偶極子天線的性能進(jìn)行仿真分析，著重分析折疊偶極子天線的折疊次數(shù)n和折疊的高度h對折疊偶極子天線性能的影響，以充分掌握軟件的優(yōu)化過程。圖2為折疊偶極子天線的仿真模型。

圖2 折疊偶極子天線模型

折疊偶極子天線的軸向長度設(shè)定為120mm，折疊的角度為90°，天線的半徑為r=1mm，保持折疊次數(shù)和折疊角度不變，天線的折疊高度分別為h=2mm，h=4mm，h=6mm，h=8mm，h=10mm。圖3為折疊高度h對天線回波損耗S11的影響，具體折疊高度對諧振點(diǎn)的影響見表1。

表1 折疊高度對諧振點(diǎn)的影響

圖3 折疊高度對S11的影響

由圖3和表1可知隨著折疊高度的增加，回波損耗S11的變化較明顯。當(dāng)h=4mm時，回波損耗S11最佳，為-37.10dB。然后隨著折疊高度的增加，回波損耗S11隨之變大。

保持天線折疊高度和折疊角度不變，研究折疊次數(shù)n對天線特性的影響。折疊偶極子天線的結(jié)構(gòu)圖與折疊次數(shù)之間的關(guān)系如圖4所示。當(dāng)折疊次數(shù)n=0時，天線為半波偶極子天線。

圖4 天線結(jié)構(gòu)圖與折疊次數(shù)之間的關(guān)系

折疊次數(shù)對天線諧振點(diǎn)影響的仿真結(jié)果見表2。

表2 折疊次數(shù)對天線諧振點(diǎn)的影響

由表2可知，隨著折疊次數(shù)的增加，天線諧振點(diǎn)的回波損耗會越來越小。在偶極子天線外形天線尺寸不變，折疊高度和折疊角度不變的情況下，天線的折疊次數(shù)越多，天線的諧振頻率越低。通過這個實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生明確在實(shí)際應(yīng)用中，在兼顧諧振頻率的條件下，可以適當(dāng)增加折疊次數(shù)來實(shí)現(xiàn)天線的小型化設(shè)計(jì)。

4 偶極子天線的微帶仿真設(shè)計(jì)

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，人們對移動通信網(wǎng)絡(luò)的需求也與日俱增[12]。因此讓學(xué)生在掌握折疊偶極子天線性能的基礎(chǔ)上，仿真一款適用于移動通信系統(tǒng)的微帶偶極子天線。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)所采用的微帶偶極子天線仿真結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖為具有短路貼片的偶極子天線，印刷偶極子和寄生振子在天線的正面，見圖5（a），“J”形饋電巴倫印制在介質(zhì)板的背面，見圖5（b）。

圖5 微帶偶極子天線的結(jié)構(gòu)模型

該實(shí)驗(yàn)仿真的目的主要讓學(xué)生掌握通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的天線性能，實(shí)驗(yàn)要求是對“J”形巴倫饋電的結(jié)構(gòu)參數(shù)（w4、w5、w6）進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并分析“J”形結(jié)構(gòu)的部分尺寸對天線性能的影響。其中w6的具體優(yōu)化性能曲線如圖6所示。

從圖6可以得知,保持天線其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，改變w6的數(shù)值范圍為0.7mm～1.1mm，變化間隔為1mm，隨著w6的數(shù)值變化，天線的諧振頻率和回波損耗都隨之改變。當(dāng)w6=1.0mm時，回波損耗數(shù)值最小，大小為-53.78dB。

經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，學(xué)生可以確定出天線的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，其中w4=2.7mm，w5=1.9mm，w6=1.0mm。從圖7所示的回波損耗S11可看出，在最優(yōu)結(jié)構(gòu)下，諧振頻率為1.85GHz，回波損耗S11數(shù)值大小為-54.04dB，而駐波比的仿真結(jié)果為1.0040，匹配性能較好。

圖7 優(yōu)化后的回波損耗S11

5 結(jié)語

專業(yè)核心課程的建設(shè)將決定著高等人才培養(yǎng)的質(zhì)量，而專業(yè)核心課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是新工科形勢下培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的重要抓手。在“新工科”和“專業(yè)認(rèn)證”的雙重建設(shè)要求下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程必須在教學(xué)模式上體現(xiàn)以學(xué)生為中心，能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，契合專業(yè)實(shí)際需求進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。因此，本文提出的將HFSS電磁仿真內(nèi)容引入電磁場與電磁波的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式圍繞“新工科”的理念開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，增強(qiáng)了理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性，提高了教學(xué)效率，必將最終服務(wù)于人才培養(yǎng)目標(biāo)的有效達(dá)成。