基于HFSS軟件的電波與天線課程資源庫的建設與實踐

譚立容　張照鋒

摘要：為了教學的更好實施，采用仿真軟件HFSS（High Frequency Structure Simulator）開發了電波與天線課程仿真模型資源庫，并結合仿真模型資源庫編寫了出版教材《電波與天線》 ，將該課程資源庫和教材用于實際教學中。經調查顯示，課程資源庫的有效運用有助于教師的教學，其教學效果整體上要好于傳統教學。

關鍵詞：課程資源庫天線電磁波仿真軟件高職院校

中圖分類號：G712文獻標識碼：B

1.引 言

以無線電磁波為核心的無線電技術是現代電子工程領域一門迅速發展的技術，對于這項現代電子通信行業中不可缺少的技術，掌握并且能夠靈活應用已成為相關專業學生就業的一個基本條件。目前，無線電技術專業是我們學校與其它高職院校相比具有特色的一個專業，而電波與天線課程是我校無線電技術專業一門重要的專業核心課程。但是，多年來，涉及到電磁波或天線的這類課程在各個高校的教學過程中，學生普遍感覺“比較抽象、難理解，看書看不懂，很難理清頭緒”，究其原因，主要是：（1）涉及到電磁波或天線的這類課程書中普遍存在大量數學推導、計算；（2）涉及到電磁波或天線的這類課程中普遍存在大量抽象的概念，如平面波、天線方向圖等，往往難理解。

我校（南京信息職業技術學院）于2012年5月啟動“基于HFSS仿真軟件的電波與天線課程資源庫的建設”課題，該課題結合電波與天線課程標準，采用仿真軟件HFSS仿真課程教學內容所需常見器件和天線，形成仿真模型資源庫，結合仿真模型資源庫編寫配套教材《電波與天線》（2012年下半年由西安電子科技大學出版社出版），供上課使用。

2.課程仿真資源庫的開發

（1）開發工具簡介

HFSS軟件是Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件。利用它可求解任意三維射頻、微波器件的電磁場分布，廣泛地應用于各種微波器件和天線的設計。

（2）課程資源庫的建設思路

本課題的研究中，我們采用的研究策略有：研教結合、邊實踐邊總結等，具體的研究過程是這樣的：

① 從電波與天線課程標準出發，提取預期要完成的仿真模型清單

② 課題組各成員收集和學習相關資料

③ 分工完成仿真模型資源庫

④教材的編寫

⑤教學實踐（在2012下半年在電波與天線教學中使用了該課程仿真資源庫）

⑥對前期工作進行總結

⑦整理并形成研究總報告

3.課程資源庫的實踐

我們在教材如下章節中用到了課題組所開發仿真模型資源庫：

項目3、用HFSS觀察平面電磁波

項目4、用HFSS仿真線天線

項目5、用HFSS仿真天線陣

項目6、用HFSS仿真寬頻帶天線

項目7、用HFSS仿真波導縫隙天線

項目8、用HFSS仿真喇叭天線

在實際教學中，考慮到教學總學時（45）的限制，這些所開發仿真模型一部分在課堂教學時供教師課堂教學演示，一部分用于學生在課堂上操作練習，一部分用于學生在課后鞏固書中所學知識。以下是基于課題組所實現的仿真模型資源庫的教學具體案例：

授課章節名稱：

項目4中4.3節 用HFSS仿真對稱振子

教學過程設計：

①運用相關課程資源創設情景，導入問題。創設的情景包括：先給出對稱振子天線的實物圖片及介紹其用途，導入問題：為什么對稱振子天線能輻射電磁波等；

② 在進行適當的知識鋪墊基礎上，運用HFSS仿真半波對稱振子，仿真演示過程中突出分析以下內容：

為什么要把代表天線兩臂的兩個圓柱體在模型材料屬性Material設置為理想導體pec或銅copper，兩者有何差異？

為什么要在天線兩臂中間創建集總端口激勵Lumped Port？

經過求解得到仿真結果后，動畫演示天線表面電流和電場分布；

再針對具體天線的仿真增益方向圖講解什么是增益、什么是方向圖等，并提問哪個方向應是最大輻射方向；

針對具體天線的駐波比仿真曲線，提問什么是駐波比、曲線中哪個頻點的駐波比最好等；

針對具體天線效率仿真圖表，提問什么是天線效率、天線效率能大于1嗎等。

③在以上基礎上，布置練習任務：“在HFSS仿真對稱振子的實驗中，嘗試改變對稱振子的臂長，以觀察方向圖的變化”。讓學生進行深入研究學習和總結；

④學生課后完成練習，鞏固知識；

⑤學生課后通過郵件、微博、QQ群組等進行討論和展示各自的作品，并相互評審；

⑥教師進行評析、總結和回顧。總結教師和學生在教學過程中與課程資源庫交互作用中所產生的經驗、方法和結果，甚至整理錯誤等。

4.基于資源庫的教學效果分析

在大多數情況下，傳統教學手段缺乏生動性，不能引起學生的有效注意。傳統教學在鞏固教學過程中所能運用的教學手段和形式是有限的，影響力、教學效果和效率都不夠強。并且，課堂教學內容和情景在課后是不可再現的。另外，學生對教材中一些內容很難形成正確的感知。