“微波技術(shù)與天線”課程教學(xué)探討

平學(xué)偉　李黎　殷興輝

摘要：“微波技術(shù)與天線”是通信、電子、微波等專業(yè)的主干專業(yè)課程。該課程內(nèi)容抽象、工程性強、數(shù)學(xué)公式多、難教難學(xué)。本文根據(jù)作者教學(xué)經(jīng)驗，針對課程特點，對學(xué)習(xí)方法、教學(xué)手段等方面提出了一些微薄的建議。

關(guān)鍵詞：微波技術(shù)；天線；教學(xué)方法

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）17-0197-02

一、引言

“微波技術(shù)與天線”是大學(xué)本科通信類專業(yè)的一門主干課程，主要內(nèi)容包括微波傳輸線方程、微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、常用微波元器件、各類天線的工作原理與特性分析等。在很多高校的通信、微波、電子工程等專業(yè)，均將“微波技術(shù)與天線”設(shè)為必修課程。在一些高校的微波專業(yè)，將該課程分為“微波技術(shù)基礎(chǔ)”與“天線與電波傳播”兩門必修課程上，可見該課程的重要性。在工程上，微波技術(shù)也是分析、設(shè)計天線、濾波器、定向耦合器等電子元器件的基礎(chǔ)，而天線更是無線電設(shè)備必不可少的部件之一。因此，該課程對于通信類專業(yè)的學(xué)生具有十分重要的意義。但是在本人的教學(xué)實踐過程中，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)存在一定的困難。下面從該課程的特點入手，探討該課程的學(xué)習(xí)與教學(xué)方法。

二、課程特點

“微波技術(shù)與天線”課程的特點之一是專業(yè)性強。在內(nèi)容上，“微波技術(shù)與天線”課程用到了“電磁場與電磁波”的知識，除此之外，還用到了大量的高等數(shù)學(xué)知識。因此，在課程安排上，一般高校里“微波技術(shù)與天線”的學(xué)習(xí)是放在大三上學(xué)期或下學(xué)期，上過“高等數(shù)學(xué)”、“矢量分析與場論”、“電磁場與電磁波”等課程之后。“電磁場與電磁波”課程本身是通信專業(yè)比較難學(xué)的課程之一。而“微波技術(shù)與天線”是基于“電磁場與電磁波”之上，也是比較難學(xué)的一門課程。因此，在上“微波技術(shù)與天線”課程的時候，對用到的一些知識點要做一些回顧，必要時對公式進行一下推導(dǎo)，便于學(xué)生更好地理解。學(xué)生在上課之前，最好能對涉及的“電磁場與電磁波”或者高等數(shù)學(xué)知識進行必要的復(fù)習(xí)。

“微波技術(shù)與天線”課程的另一個特點是具有很強的抽象性。公式繁多且復(fù)雜，且物理概念不容易理解。拿傳輸線問題來說，在傳統(tǒng)的低頻電路問題中，電阻、電感、電容等集總參數(shù)能夠很好地表示各個元器件的物理性質(zhì)，分析起來很容易理解。而微波傳輸線問題不同。在傳輸線上，真正有意義的實際上是電磁場。為了對微波問題進行精確分析，需要根據(jù)邊界條件求解麥克斯韋方程，從而得到整個空間的電磁場分布，并根據(jù)場來分析微波器件的電磁特性。但是這種求解電磁場的方法非常的復(fù)雜，而且不直觀。為了分析方便，往往采用化場為路的方法。所謂的“化場為路”方法，是借用低頻電路里的概念，把傳輸線的電磁特性用電壓、電流、阻抗、導(dǎo)納等分布參數(shù)來等效。根據(jù)分布參數(shù)建立傳輸線方程，求出導(dǎo)線上每一點處的電壓、電流的分布，進而分析傳輸線的阻抗、反射系數(shù)及駐波比等傳輸特性。因為高頻電路與低頻電路有很大的區(qū)別，這在帶來簡便的同時，會給初學(xué)者帶來很大的困惑。在學(xué)習(xí)該課程時我們始終要謹記一點，傳輸線上的電壓、電流、阻抗、導(dǎo)納等參數(shù)都是等效的概念，是沒有實際的物理意義的，只是為了描述問題方便而引入的物理量而已，因此不必過度糾結(jié)這些參數(shù)的含義。真正有意義的是功率、反射系數(shù)、S參數(shù)等物理量。同樣，對天線的阻抗也是為了方便分析輻射功率而人為引入的物理量，與傳統(tǒng)的阻抗是有區(qū)別的。

“微波技術(shù)與天線”課程的第三個特點是具有很強的工程性。課程中的所有方法都是為了方便解決實際的工程問題。而且課程中所涉及的各種微波傳輸線、天線等都是實際工程中常用的，如同軸線在各種微波實驗、有線電視、閉路監(jiān)控系中都有應(yīng)用，波導(dǎo)應(yīng)用在雷達、基站、拋物面天線等功率較高的場合，天線的應(yīng)用更是不勝枚舉，是微波設(shè)備的基礎(chǔ)部件，在手機、電視、電腦等日常電子設(shè)備上面有會使用。該課程的這一特點，決定了課程本身具有很強的時效性。微波技術(shù)與天線是一門快速發(fā)展的學(xué)科。在工程中，往往會出現(xiàn)很多新結(jié)構(gòu)、新材料，例如等離子天線等。同時學(xué)校的教材由于種種限制，不可能很及時的體現(xiàn)微波技術(shù)與天線的最新學(xué)科前沿。因此授課老師要注意在該課程教學(xué)中人為的引入一些工程中的最新進展，保持課程的新穎性。

三、教學(xué)方法探討

1.多種教學(xué)方式相結(jié)合。微波技術(shù)與天線在通信課程里是一個十分抽象而且枯燥的課程。不但涉及大量復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，更涉及很多的抽象物理概念與物理結(jié)構(gòu)?？繂我坏慕虒W(xué)手段很難對各個知識點做到系統(tǒng)的講解。因此最好采用多媒體教學(xué)與板書相結(jié)合的方法。對于大量數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，例如電壓傳輸線方程，偶極子天線在空間的場分布公式，等等，如果采用多媒體教學(xué)，僅僅將結(jié)果或者推導(dǎo)過程列在幻燈片上，而省略了現(xiàn)場推導(dǎo)的過程，則學(xué)生很難對該公式具有深刻的理解，進而會影響學(xué)生對該微波元件工作機理的理解。這時候傳統(tǒng)的板書教學(xué)方法則是很好的教學(xué)方式。將公式寫下來一步步推導(dǎo)，最終得出最后的結(jié)論。這樣可以加深學(xué)生對公式的理解。而很多微帶線或天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，或者為元器件周圍的電磁場分布形狀，靠板書的話不但費事費力，而且不夠形象。而且課本上的內(nèi)容由于篇幅、顏色、分辨率等限制，也不可能對每個結(jié)構(gòu)的細節(jié)做到很好的描述。這時候采用多媒體能夠帶來很大的方便。多媒體教學(xué)信息量大、呈現(xiàn)方式多、形象直觀，學(xué)生可多角度地觀察對象。一些復(fù)雜的物理結(jié)構(gòu)，可以很真實地采用多媒體呈現(xiàn)出來。傳輸線上的場分布或者波導(dǎo)里的電磁波傳輸方式，也可以通過多媒體動態(tài)展示出來，從而能夠加深學(xué)生的印象，而且能夠給教師帶來極大的方便。

2.理論與實驗相結(jié)合?！拔⒉夹g(shù)與天線”課程的特點之一工程性強。這一特點要求在講授課程的過程中，將書本上的理論與實際的工程問題結(jié)合起來。在講到具體的微波器件時，可以在課堂上向?qū)W生展示一下具體的微波器件實物。這樣既增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時能加深學(xué)生對該元器件的了解。同時盡量在上課的同時能夠多做實驗，從而使學(xué)生對書本上的知識點能夠有直觀深刻的了解。目前河海大學(xué)在2.5學(xué)分的理論課之外安排了0.5學(xué)分的實驗課。課程安排在微波傳輸線部分內(nèi)容結(jié)束之后。實驗內(nèi)容是基于YM3000三厘米波導(dǎo)測試系統(tǒng)的各種微波實驗，包括頻率、波導(dǎo)波長測量；反射系數(shù)與電壓駐波比的測量；阻抗測量；微波網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)等內(nèi)容。通過實驗課程，學(xué)生可以更好地了解實驗平臺的搭建，信號發(fā)生器、頻率計、選頻放大器等微波元器件的使用方法，并且使學(xué)生對于各種微波參數(shù)的測量、微波傳輸中的各種物理現(xiàn)象有了更直觀的了解。例如：在做頻率與波長測量的實驗時，信號源輸出頻率為10GHz左右的電磁波，在3厘米波導(dǎo)系統(tǒng)終端分別接銅板、匹配負載時，在測量線上移動測量探針，選頻放大器上的讀數(shù)變化具有不同的規(guī)律。接匹配負載時，移動探針則選頻放大器上的讀數(shù)無變化。在接銅板時，相當于終端短路，在測量線上移動探針，則儀表讀數(shù)從最小到最大來回的擺動。這時可以從物理概念上講解這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，從而可以使學(xué)生直觀了解行波與方波的特性，以及匹配負載以及短路負載的概念。

3.一些改進措施。雖然分析微波與天線問題通常采用化場為路的方法，但是這兩種問題分析的基礎(chǔ)是麥克斯韋方程。要想對課程中的一些概念具有深刻的了解，必須熟悉電磁波在微波元件內(nèi)及周圍空間的傳播機理。但是即使對于最簡單的結(jié)構(gòu)，求解該偏微分方程組過程也非常的復(fù)雜。除此之外，電磁場是三維矢量場，需要較好的空間想象能力。因此學(xué)生在理解微波器件工作機理時普遍存在一定的困難。在接下來的教學(xué)中，擬在課程中引入仿真實驗的方法，讓學(xué)生在業(yè)余時間做一些仿真實驗。例如：利用ANSYS軟件仿真各種微波傳輸線的電磁特性。這樣可以不但能夠使學(xué)生加深對物理原理的理解，而且能更好的培養(yǎng)學(xué)生在使用仿真軟件方面的技能。

四、小結(jié)

教學(xué)改革是一個不斷積累、不斷探索、逐步完善的過程。通過這幾年的微波技術(shù)與天線教學(xué)，雖然付出不少，但也積累了一些寶貴的經(jīng)驗。通過在教學(xué)中不斷摸索，不斷總結(jié)，不但提升了自己的教學(xué)水平，也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。當然，在教學(xué)過程中難免還有許多不足之處，在今后的教學(xué)中，教學(xué)方法還需繼續(xù)加以完善。

參考文獻：

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