波導(dǎo)的圖形化教學(xué)研究

薛紅 邵尉 晉軍

摘要：文章通過對電磁課程中波導(dǎo)的教學(xué)和思考，以圖形化輔助教學(xué)模式進行實踐，培養(yǎng)學(xué)生“場路結(jié)合，化場為路”的科學(xué)思維方法。為了解決對波導(dǎo)概念內(nèi)涵和外延的準(zhǔn)確把握，利用電磁仿真軟件HFSS中強大的電性能分析能力和后處理功能來輔助教學(xué)，使教學(xué)內(nèi)容更為整體、直觀，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，取得較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：波導(dǎo)；HFSS；參數(shù)

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）28-0151-02

一、引言

無線頻譜也就是無線電波或電磁波的頻率，微波和光波在其中占有極其重要的地位。微波與光波的傳輸輻射接收技術(shù)在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中占據(jù)舉足輕重的地位。通信類學(xué)生需要建立系統(tǒng)的完整的相關(guān)知識體系，而現(xiàn)代教育理念對本科學(xué)歷教育的要求是“厚基礎(chǔ)，寬口徑”，專業(yè)課程的設(shè)置受到學(xué)時數(shù)的限制。我校對相關(guān)課程進行改革和創(chuàng)新，將傳統(tǒng)意義上的“微波技術(shù)基礎(chǔ)”、“天線與電波傳播”、“光通信基礎(chǔ)”3門課程涉及的主要知識點進行整合，開設(shè)出核心必修專業(yè)課程“電波與光波傳輸技術(shù)”。該課程從物理層傳輸信道的角度系統(tǒng)完整地介紹電波與光波信道的傳輸規(guī)律。通過該課程學(xué)習(xí)，著力培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決微波與光波傳輸問題的能力，提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新精神。

二、教學(xué)目標(biāo)

“電波與光波傳輸技術(shù)”課程內(nèi)容多，概念抽象，公式煩瑣，理解難，課程實施應(yīng)突出對基本概念內(nèi)涵及外延的準(zhǔn)確把握，以提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，用生動有效的形式開展教學(xué)。我們從微波傳輸線和光纖的基本傳輸理論和傳輸特性入手，基于“場路結(jié)合”的高頻分析方法，分析天線輻射與接收電磁波的基本機理，掌握無線、衛(wèi)星、移動通信中常用天線的電性能，了解電波傳播的基本概念以及無線、衛(wèi)星、移動通信方式的電波傳播規(guī)律。金屬波導(dǎo)和微帶線是微波電路中最常用的傳輸線，在微波電路中發(fā)揮著重要的作用。通過對這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解微波傳輸線的基本概念和傳播特性，理解其在微波電路中的重要作用，培養(yǎng)學(xué)員抽象思維能力以及對知識的綜合、分析能力，應(yīng)用“縱向場”分析方法熟練分析并解決較簡單規(guī)則的電磁場問題，提高知識的綜合應(yīng)用能力。通過了解均勻介質(zhì)波導(dǎo)和均勻光纖的基本傳輸原理和傳播特性，學(xué)生學(xué)會應(yīng)用已有的幾何光學(xué)和電磁場理論知識解決光波導(dǎo)中光傳輸問題的一般方法。

三、教學(xué)實踐

本文結(jié)合電磁仿真軟件HFSS進行圖形化教學(xué)研究，以微波傳輸線中金屬矩形波導(dǎo)為例，將仿真工具融入理論教學(xué)、實驗教學(xué)中，加強學(xué)生對金屬波導(dǎo)理論知識的理解以及綜合運用理論知識的能力。在教學(xué)中，相對于抽象的概念和煩瑣的公式，我們利用電磁仿真軟件HFSS中強大的電性能分析能力和后處理功能，來分析、計算并顯示如下參數(shù)：S參數(shù)矩陣、電壓駐波比、端口阻抗、傳播常數(shù)、電磁場分布和電流分布、天線輻射方向圖和各種天線參數(shù)等。教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)需要創(chuàng)建設(shè)計模型，分配模型的邊界條件和激勵，定義求解設(shè)置，輸出設(shè)計結(jié)果。這樣，既能現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用，又能理解內(nèi)涵。

我們以一個帶有隔片的T形波導(dǎo)為例進行說明。其中端口1是信號輸入端口，端口2和3是信號輸出端口。正對端口1的波導(dǎo)壁向內(nèi)凹進去，相當(dāng)于在此處放置了一個金屬隔片。可以通過調(diào)節(jié)隔片的位置來改變從端口1傳輸?shù)蕉丝?和3的信號能量大小，以及反射回端口1的信號能量大小。我們假設(shè)隔片位于T形波導(dǎo)的正中央，在8-10GHz的工作頻段內(nèi)，波導(dǎo)3個端口的S參數(shù)隨頻率變化關(guān)系，并分析查看在10GHz時波導(dǎo)表面的電場分布以及優(yōu)化分析。具體操作如下：

（一）創(chuàng)建T形波導(dǎo)

T形波導(dǎo)可以分解為3個矩形波導(dǎo)疊加而成，通過對第一個矩形波導(dǎo)的創(chuàng)建和設(shè)置，進一步體會矩形波導(dǎo)的屬性。其屬性包括位置、尺寸、名稱、材料和透明度等，學(xué)生可以在對話框設(shè)置或修改。在創(chuàng)建好的矩形波導(dǎo)中設(shè)置波端口激勵，并將同樣的三個模型合并成一個整體，添加小隔片構(gòu)成完整的T形波導(dǎo)模型。

（二）分析求解設(shè)置

添加頻掃設(shè)置，在8-10GHz的工作頻段內(nèi)，步長為0.01GHz，通過檢驗設(shè)計的完整性和正確性，運行仿真設(shè)計。使用HFSS后處理模塊，查看各類分析計算結(jié)果，這里我們主要查看S參數(shù)的掃頻結(jié)果和表面電場分布。

選擇T形波導(dǎo)模型的上表面，顯示出電場分布情況，還可以進行場分布的動態(tài)演示，學(xué)生形象地觀察場的動態(tài)變化，同時還能控制動態(tài)顯示的進程，包括開始、停止和演示速度等。

（三）優(yōu)化分析設(shè)置

當(dāng)隔片位置向端口2移動時，端口2的輸出功率逐漸減小，端口3的輸出功率逐漸變大，通過分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)位置變量offset超過0.3英寸時，端口1的反射明顯增大，而端口3的輸出功率開始減小。當(dāng)offset=0.1英寸時，端口3的輸出功率近似為端口2輸出功率的兩倍。所以在優(yōu)化設(shè)計時，可以設(shè)置變量offset的優(yōu)化初始值為0.1英寸，最大值為0.3英寸，找到隔片的最佳位置，使得端口3的輸出功率為端口2輸出功率的兩倍。

四、結(jié)語

本文以波導(dǎo)為例，將電磁仿真軟件融入“電波與光波傳輸技術(shù)”課程教學(xué)過程中，并進行圖形化輔助教學(xué)，推進了課程教學(xué)研究，取得了良好的教學(xué)效果。在教師的教和學(xué)生的學(xué)中，有助于提高學(xué)習(xí)興趣，可以利用課外時間完成感興趣的內(nèi)容。實踐證明，該方法不僅適用于波導(dǎo)學(xué)習(xí)，也適用于微帶線、天線的分析。

參考文獻：

[1]李九生，等.電磁場理論與微波技術(shù)教學(xué)改革研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2012，（15）：57-58.

[2]李明洋，等.HFSS電磁仿真設(shè)計從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[3]盧春蘭，等.電波與光波傳輸技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[4]張海，等.“微波技術(shù)與天線”課程多媒體教學(xué)改革[J].教育教學(xué)論壇，2016，（15）：42-43.