微波技術基礎本科教學改革

段俊萍　秦麗　張斌珍

摘要：微波技術在空中雷達、導航等領域發展迅速，對于本科教學來說，微波技術基礎的實踐教學卻遠遠滯后于微波通信科學技術研究的發展。如何使科研能更好地服務于微波技術課程的本科教學，成為我們對微波技術本科實踐環節改革的重要研究內容，首先對微波測量系統的硬件平臺實驗進行了改革，增加了測量系統實驗平臺、網絡分析儀，同時增加了科研設備操作測試環節；在實驗中引入微波射頻仿真軟件CST、HFSS，提高了學生的微波設計與分析能力。

關鍵詞：微波技術；教學改革；HFSS仿真

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）05-0135-02

一、引言

隨著國際通信技術的快速發展，通信技術在雷達和導航的應用要求也越來越高，因此微波技術的教育理念也得到了快速更新。國家通信技術水平的高低直接影響國家的整體發展水平，因此微波技術的教學發展對高等教育來說有著舉足輕重的作用[1-2]。

隨著國內信息技術實力的日益提高，科學研究所需的世界先進的設備已經逐漸到達科研第一線，科技理念也逐漸深入到一線的科研人員的腦海中，國內關于微波通信技術和系統的科學研究、研究生教育已經逐漸趕上發達國家的步伐，但由于微波通信設備的價格昂貴，對于本科教學來說實驗條件相對缺乏，這使得在大多地區的高等學校本科教學的實踐環節不能緊隨科學科研的發展，如何通過科研平臺讓學生了解專業的發展動態、提高學生的學習興趣、使其更好地掌握復雜的理論與計算分析，逐步提高實踐動手能力，加大實踐環節成為高等學校專業教學改革的重點。

“微波技術基礎”課程是電子信息類本科及研究生的專業重點課程之一，由于電磁場理論公式繁多，概念抽象，講授過程中電磁波難以想象和理解。微波技術基礎課程教學過程大都以理論講授為主，很難通過課堂理論知識的講授來提高學生的學習興趣[3-4]。如何加深學生對微波傳輸理論及微波器件性能知識的理解，培養學生具備從事天線、微波器件的設計、開發和工程應用能力，如何讓學生用設計與仿真、加工、測試等手段和方法研究微波技術基礎，這些在微波技術基礎課程的實踐環節顯得尤為重要。

二、存在的問題

傳統微波技術基礎的教學模式大都比較單一，板書所占課時的比重較大。部分教師用豐富多彩的多媒體式教學將微波的傳輸過程等通過動畫的方式向同學們演示，提高學生對基礎知識的理解。這兩種方法都能較好地向學生講述微波的基本知識、概念以及基本參數的設計與計算。但由于微波技術課程內容大多比較抽象，在傳輸理論等方面還需要尋求更好的方法來解決。

三、微波技術基礎課程改革與實施方案

隨著通信技術的快速發展，微波射頻電路更加模塊化、功能化，理論計算已經很難通過簡單計算得到，因此多個微波器件的互聯系統更多地依靠軟件設計完成。本文的改革內容就是在微波技術理論基礎上對微波技術課程的實踐實驗教學進行了改革探索。改革的目的就是培養學生分析問題、解決實際設計與制作、測試及數據分析等問題的能力，為今后從事微波理論研究、微波通信設備的研發和微波電路設計等工作打下堅實的基礎。具體改革內容從以下四個方面來分析。

1.搭建微波系統測試平臺，將標準信號發生器、微波頻率計、檢波器、功率計、耦合器等器件組成波導測試系統。通過課堂理論教學對微波技術的有關理論知識的學習，結合測試平臺的實踐操作，深刻理解微波測量系統的工作原理、熟悉使用和操作微波信號源的方法，可以通過調節微波測量系統測量微波信號電場的振幅。了解相關系統使用微波儀器儀表，微波元器件的內部結構、材質、原理，理解和掌握微波頻率的測量方法。通過實際動手操作，讓學生更好地理解各種微波器件在微波測量中的作用。

2.微波器件模型的分析與設計。微波技術在工程中應用非常廣泛，學生通過理論教學的學習，掌握器件的基本設計方法，通過理論計算得到模型的尺寸后，首先通過CST、HFSS等射頻軟件的學習，掌握傳輸線、微帶線、濾波器、天線的基本設計知識，通過對簡單的腔體微波器件進行設計與制備，加深理解各參數對器件性能的影響；軟件將電磁波的三維場分布圖、電力線分布、磁力線及傳播過程都用彩色動態演示展現出來，使得抽象的電磁學知識更加形象化，將看不見、摸不著的電磁場變成形象可見的三維動畫。該仿真實驗使教師的理論教學更易于被學生理解，使學生對實驗內容涉及的微波傳輸理論有一個全面深入的理解，有助于提高學生的動手操作能力。如此，學生通過自己的分析與設計，循序漸進的理解微波理論和繁瑣的公式，可以很好地理解計算公式的應用[5]。

3.微波器件模型求解與分析。HFSS軟件會對模型進行分析，最后得到S參數、電場分布情況、磁場分部情況和動態傳輸過程，通過不同結構的對比就可以很容易地分析出所設計結構的問題所在。通過分析，可以讓學生很直觀地看到不同結構的磁場分布情況，有利于教師進一步分析課本磁場分布定律等[6]。

4.器件的加工與測試。微波器件結構設計結束后，通過對加工方式進行分析，確定加工工藝流程，讓學生參與加工過程，通過加工過程中金屬層的材料選擇和厚度等，深入理解肌膚效應及電導率對電磁傳輸特性的影響情況，通過快速制作過程，讓學生了解簡單器件的制備過程，消除學生的神秘感。對加工好的器件進行測試，深入了解微波端口網絡的具體含義，通過微波測試設備的使用，使學生更清楚地了解微波端口網絡的真正含義[7]。

通過多方面的實踐過程，學生能更深入理解學習微波的重要性。通過動手，提高學生的學習興趣，理論與實踐相結合，使學生更輕松地理解難于理解的電磁概念、設計原理等，大大提高了微波技術基礎課程的學習效率。

四、教學實施及效果分析

微波技術課程被認為是專業課程中比較難教、更難學的課程，而且內容豐富，涉及范圍廣、課時還較少。通過多方面實踐教學能力的改革，有助于提高學生對課堂講授內容的理解和分析，提高學生學習微波技術以及通信技術的興趣，在實踐教學中利用多種先進的微波射頻仿真軟件，吸引更多的學生到微波技術專業進行繼續深造，大力培養微波技術專業方向的專業人才，同時也滿足了學生的就業要求。

五、總結

隨著通信、雷達技術的快速發展，對通信與信息類的畢業生提出了更高、更多、更難的要求，同時也對高等院校的微波技術基礎教學改革指明了新的方向。通過實踐教學的改革，把平臺搭建、專業設計軟件、微波測試設備的使用、加工工藝等加入教學實踐環節，提高學生的在理論基礎上的實驗動手能力和工程設計能力，同時培養學生先進的科技創新能力，激發他們在微波傳輸方面的想象力，打牢微波技術基礎理論知識，緊隨國際信息發展動態，拓寬學術視野，有望成為高質量的微波技術工程技術專業人才，推動國內微波雷達等信息專業的科技創新。

參考文獻：

[1]李素萍，吳偉.“微波技術與天線”課程教學改革探討[J].中國電力教育，2011，（8）：108-109.

[2]仲偉志.“微波技術與天線”課程的教學改革研究[J].黑龍江科技信息，2012，（26）：185-185.

[3]黎鵬，周桐，高翔，高云霞.“電磁場與微波實驗”教學改革思考與探索[J].中國電力教育，2014，（36）：182-183.

[4]徐興，俞龍，王衛星.“微波技術”課程實驗建設探索[J].中國科教創新導刊，2010，（7）：167-167.

[5]李淑娟，童艷榮，陳振元.HFSS技術在微波實驗中的應用研究[J].大學物理實驗，2010，30（1）：12-15.

[6]李明洋.HFSS電磁仿真設計應用詳解[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[7]賈建科，聶翔，韓團軍.微波技術課程實踐教學改革的探索[J].中國電力教育，2012，（5）：75-75.