創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育下微波技術(shù)課程教學(xué)方法探討

謝澤會+趙紅梅+任海洲

[摘 要]根據(jù)高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的需求，結(jié)合微波技術(shù)課程的特點(diǎn)、重要性及實(shí)現(xiàn)的任務(wù)目標(biāo)，基于先進(jìn)的電磁仿真軟件，探討了該課程理論結(jié)合實(shí)驗的教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容的柔性設(shè)置、工程實(shí)踐及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育；電磁仿真；教學(xué)方法；柔性設(shè)置；工程實(shí)踐；創(chuàng)新能力

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）08-0163-03

微波技術(shù)已應(yīng)用到眾多高科技領(lǐng)域，如衛(wèi)星通信、 全球定位系統(tǒng)（GPS）、 物聯(lián)網(wǎng)工程、 射頻識別（RFID）、 微波遙感、 醫(yī)療監(jiān)控、 微電子學(xué)、 納米技術(shù)、 電機(jī)科學(xué)、 雷達(dá)等傳感器技術(shù)乃至生命科學(xué)與技術(shù)都是以電磁場、 微波與射頻技術(shù)為基礎(chǔ)，而現(xiàn)代武器裝備信息化更是離不開微波、毫米波這項核心技術(shù)的支撐。[1][2]

射頻、微波技術(shù)所涉及的無線電頻譜是甚高頻（VHF）到毫米波段很寬范圍內(nèi)的無線電信號的發(fā)射及接收設(shè)備的工作頻率。它的基本理論是經(jīng)典的電磁場理論。研究電磁場延傳輸線的傳播特性常規(guī)有兩種方法，一是基于麥克斯韋方程，采用“場”的分析方法求得場量的時空變化規(guī)律；另一種是基于基爾霍夫定律，采用“路”的分析方法求得傳輸線分布參數(shù)模型下的電壓電流的各種傳輸特性。[3]

微波、射頻技術(shù)研究工程的核心問題是折中處理阻抗、功率及頻率三者之間的關(guān)系。[4]無論采用“場”還是“路”的方法，該課程給人們的印象是抽象的概念和繁瑣的公式，采用常規(guī)的教學(xué)方法收效甚微，并且工程中能夠嚴(yán)格求解的問題十分有限，尤其是有源器件、材料、結(jié)構(gòu)和工藝特性，實(shí)際中無法嚴(yán)格把握，難以體現(xiàn)在計算過程中。因此微波/射頻電路的設(shè)計目標(biāo)就是處理好材料、結(jié)構(gòu)和電路功能的關(guān)系，無論哪種分析方法都應(yīng)由研究的方便程度來確定，而不應(yīng)拘泥于某一種方法。[5][6][7]而2015年《國務(wù)院辦公廳關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實(shí)施意見》提出到2020年建立健全課堂教學(xué)、自主學(xué)習(xí)、結(jié)合實(shí)踐、指導(dǎo)幫扶、文化引領(lǐng)融為一體的高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系。因此本文大膽提出了在基本理論的基礎(chǔ)上采用多種工程設(shè)計軟件如ADS、ANSOFT HFSS、PROTEL等來結(jié)合教學(xué)，同時根據(jù)科技發(fā)展柔性設(shè)置設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，并在我校進(jìn)行了嘗試。結(jié)果表明，該種方式值得借鑒，已經(jīng)為我校培養(yǎng)出了多名頗具工程實(shí)踐經(jīng)驗及創(chuàng)新能力的大學(xué)生。

一、理論教學(xué)中的實(shí)驗引入

高校教學(xué)改革已經(jīng)進(jìn)行了許多年，教育轉(zhuǎn)型下的現(xiàn)狀卻是專業(yè)基礎(chǔ)課課時不斷被壓縮，課堂教學(xué)由原來的板書變成了PPT。PPT雖然生動，但在計劃學(xué)時貧瘠的情況下，該課程仍然難以解決理論深奧難以理解、公式繁多計算復(fù)雜的問題。[8]

微波、射頻電路的一個基本單元就是LC電路，而阻抗的匹配是電路設(shè)計時必須關(guān)心的一個重要參數(shù)，實(shí)際教學(xué)中的實(shí)驗多為測試某一LC電路的端口阻抗，對阻抗匹配的調(diào)節(jié)我們卻無從下手，很多時候是盲目地進(jìn)行。因此在理論教學(xué)中教師可以結(jié)合Smith圓圖這個重要工具講清楚匹配的含義，在不匹配的情況下所對應(yīng)的參數(shù)值代表的含義，端口阻抗呈容性還是感性，在同學(xué)們的意識里建立一個匹配調(diào)節(jié)的方向感，然后借助于ADS仿真軟件建立一個LC電路，ADS能夠?qū)﹄娐分械母鲄?shù)進(jìn)行優(yōu)化，這樣我們依據(jù)仿真出來的Smith圓圖參數(shù)值范圍改變L或C的值就可以達(dá)到阻抗匹配。

圖1就是學(xué)生根據(jù)ADS仿真軟件仿真Smith圓圖設(shè)計出的可適用于高頻功率放大器的阻抗匹配電路。假定源阻抗為50Ω，即圖中B點(diǎn)，負(fù)載阻抗為A點(diǎn)。在Smith圓圖中，很清楚地看出A點(diǎn)Q值約為0.8。根據(jù)Q值的定義，Q值越高，帶寬越窄，反射系數(shù)越大，將會導(dǎo)致電路的傳輸效率低、噪聲系數(shù)增大、難以實(shí)現(xiàn)寬頻帶。而本實(shí)驗需要讓A點(diǎn)匹配B點(diǎn)，如果選取調(diào)整路徑ACDEFB，根據(jù)這個調(diào)整方向，采用一個Π型網(wǎng)絡(luò)和一個L型網(wǎng)絡(luò)組合而成，網(wǎng)絡(luò)包含五個元器件，其中 C1和L1構(gòu)成一個低通濾波器，而C2和L2構(gòu)成一個高通濾波器，二者級聯(lián)構(gòu)成一個帶通濾波器，如圖2所示。這種匹配網(wǎng)絡(luò)用于高頻功放中不僅能實(shí)現(xiàn)電路功率的最大傳輸，還能濾除帶外的高頻和低頻干擾。

通過這樣的結(jié)合既搞清了Smith圓圖的真正含義，而且加深了同學(xué)們對電路諧振、濾波的理解，為深層次電路的設(shè)計打下了基礎(chǔ)。

二、基于先進(jìn)的電磁仿真軟件，加強(qiáng)學(xué)生對“場”的認(rèn)識并一步理解電磁場理論

隨著微波、毫米波技術(shù)日新月異，傳統(tǒng)的分析天線回波損耗仿真優(yōu)化方法已經(jīng)不能滿足工程設(shè)計的需要，由此產(chǎn)生了許多先進(jìn)的電磁仿真軟件。ANSOFT HFSS就是一款較為流行的三維專業(yè)電磁仿真軟件。與ADS相比，HFSS除能夠提供簡單可用的建模環(huán)境還能為很多較為復(fù)雜的微波、射頻器件創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型。[9][10][11][12]

圖3是以基本圓形單極子微帶貼片天線為模型采用HFSS13仿真了該天線在較低和較高頻兩種不同頻率下“場”的變化。不同顏色的深淺變化使學(xué)生一眼就能感知不同強(qiáng)度的“場”分布，并且還能動畫顯示電流的走向，把抽象深奧的電磁場變得明了易懂。

三、柔性設(shè)置知識模塊，融入“科學(xué)研究”的教學(xué)思想

在體現(xiàn)行業(yè)特色與專業(yè)特色及實(shí)驗學(xué)時少的前提下，結(jié)合科學(xué)技術(shù)發(fā)展，采取少而精的原則，突出重點(diǎn)和難點(diǎn)，柔性設(shè)置知識模塊，比如以典型文獻(xiàn)作為主要教學(xué)內(nèi)容，對課程數(shù)量和內(nèi)容上做相應(yīng)的集成與優(yōu)化。教學(xué)時能夠同時融入科學(xué)研究的思想，從而培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

比如微帶天線的設(shè)計雖然有指導(dǎo)公式，但一般能計算出輻射特性的形狀是有限的，實(shí)際設(shè)計時只能根據(jù)理論經(jīng)驗公式初步計算出天線的尺寸，然后再建模仿真，根據(jù)仿真結(jié)果反復(fù)調(diào)整其尺寸，直到各參數(shù)滿足要求為止，因此教師在講清楚原理依據(jù)及經(jīng)驗公式后，可以采用一至兩篇典型的文獻(xiàn)或提供一個設(shè)計模型作為案例進(jìn)行講解，給學(xué)生提供一定的設(shè)計思路及經(jīng)驗，然后讓學(xué)生分組課下進(jìn)行交流再試著建模仿真調(diào)試制作。endprint

以超寬帶微帶天線為例，小型化超寬帶天線現(xiàn)在是業(yè)界研究的熱點(diǎn)，而天線小型化的宗旨則是在不增加體積的前提下增加電流的有效路徑，從而降低頻率改善阻抗帶寬。

從圖3場強(qiáng)分布可以觀察到無論在低頻還是高頻，圓形輻射貼片頂部電流分布較弱，且?guī)缀跹刭N片軸向?qū)ΨQ，于是試著考慮可以在頂部開槽對磁場強(qiáng)度影響不大，且開槽還能改變電流的流向，于是開一扇形槽進(jìn)一步增加電流的有效路徑[13][14]，如圖4所示。

圖5是用HFSS13仿真了輻射貼片頂部開不同大小的扇形槽天線回波損耗S11的變化。α=0°時對應(yīng)沒開扇形槽，顯然此時工作帶寬只有低頻段近5.3GHZ；隨著扇形圓心角的增大，開槽面積增加，α=30°時雖然帶寬展寬了很多，但在9.2GHz附近出現(xiàn)了近1GHz的阻帶；α再增大阻帶范圍再增大，但當(dāng)α=120°時阻帶消失且高頻特性也得到了改善，此時對應(yīng)的阻抗帶寬為1.41GHz-28.5GHz，繼續(xù)增大α多個阻帶會再次出現(xiàn)。

經(jīng)過仿真優(yōu)化， 最終得到天線各參數(shù)如下：L=W=22mm，L1=W1=16.8mm，L2=6.31mm，W2=2mm，R=5.05mm，α=120°。

圖6是教師在講清原理的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)思路、方法及設(shè)計過程，指導(dǎo)學(xué)生如何選取合適的器件、介質(zhì)板材，畫PCB圖，并采用FR4板加工焊接制作出一款小型化超寬帶天線。在該過程中，學(xué)生不僅能對基本原理、基本元件有更深的理解與認(rèn)識，同時還要考慮到電路之間的干擾如何避免，分布電容、分布電感對電路的影響，電源及地線的干擾等等。這個過程雖然有一定難度，但通過教師的指導(dǎo)及學(xué)生之間的交流探討，學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣越來越高，更易激起其自主研究的濃厚興趣。而實(shí)物的研制及調(diào)試則進(jìn)一步鍛煉了他們的綜合實(shí)踐能力。

四、結(jié)束語

結(jié)合我國高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的需求，針對微波/射頻技術(shù)課程重要性及教學(xué)中存在的問題，提出理論實(shí)踐相結(jié)合并柔性設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，采用滿足時代需求的技術(shù)文獻(xiàn)及工具作為教學(xué)手段及方法，有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率并極大地激起了探究興趣，培養(yǎng)了創(chuàng)新意識及創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)具有較強(qiáng)工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力的大學(xué)生打下了基礎(chǔ)。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[特約編輯：張 雷]endprint