ADS軟件在電磁場與微波技術教學中的應用

孫翠珍

[摘 要] 針對“電磁場與微波技術”課程理論性強、概念抽象、教學難等特點，在教學過程中引入了電磁場微波類的輔助教學工具ADS軟件。可以較大程度地提高學生學習微波射頻電路的興趣，從而達到改善教學效果，提高教學質量的目的。

[關 鍵 詞] 電磁場與微波技術教學；ADS軟件；微波射頻電路；教學效果

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）03-0100-02

隨著信息時代的發展，作為信息主要載體發展方向的高頻電磁波——微波，不僅在衛星通信、計算機通信、移動通信、雷達等高科技領域得到了廣泛的應用，而且已經深入人們的日常生活中。

而現有的傳統教學課時較少，相應實驗條件缺乏，造成了學生很難獲得直觀印象和動手實驗的機會，為了改善教學效果，提高學生的學習興趣，培養其實踐創新能力，有必要將仿真設計軟件引入該課程的教學過程中。

一、教學中遇到的問題

（一）老師不好教

1.電磁場理論基礎

電磁場理論的數學基礎部分是矢量分析與場論，主要講授矢量的散度、旋度和標量的梯度等概念及運算，為后面場的分析與運算打基礎。

由于理論教學課時限制，同時考慮到學生在“大學物理”中已經有電磁學的基礎，電磁場與電磁波課程主要是在介紹電磁場中的基本場矢量、積分形式的麥克斯韋方程組的基礎上，結合矢量分析重點闡述微分形式麥克斯韋方程組的各種場之間的共性和個性。可以看出，該課程對數學、物理、工程數學等不同課程體系的知識都有所要求，所以對任課老師的知識面和教學方法有著很高的要求。

2.微波技術基礎

微波技術課程是相關后續課程“天線與電波傳播、衛星通信、雷達系統”等專業課程的基礎。講授的內容主要包括傳輸線的分布參數、傳輸線的工作狀態、圓圖及其應用、阻抗匹配、矩形波導、微帶線、微波網絡和微波元件等內容。

（二）學生不好學

傳統的電磁場與微波技術系列課程存在兩大缺陷：單獨的課程羅列，沒有體現課程之間的內在聯系；課程內容的設計沒有體現工程意識，學生獨立完成的內容少。

電磁場與微波技術課程傳統的教學方法是以事實性知識傳授為教學目標，即課程內容是介紹“是什么”“為什么”，而缺乏“怎么做”“怎么用”，過分強調理論，而缺乏對知識的實際應用。另外，由于該系列課程的基礎課程“矢量分析”“高等數學”“大學物理”等課程的任課老師不是專業課老師，沒有進行通信類專業知識的系統學習，因此在教學過程中必然缺乏對知識的實際應用，沒有針對性地對不同專業的學生在上課內容上有所側重，也是學生在具體學習過程中感到學習內容空洞抽象、難度大的一個原因。

二、改革方法——將ADS軟件引入教學

現有的改革方法包括將理論教學與日常生活聯系起來；將教學過程與科研緊密結合；通過制作生動形象的多媒體課件；采用“對比教學法”，將分析方法相似或分析問題相近的內容進行對比式教學，使學生加深對以往學習內容和新學習內容的區別與聯系的理解等方法。

三、ADS軟件仿真實例

ADS仿真軟件集合了多種EDA軟件的優點，可進行頻域、時域仿真，線性、非線性電路仿真，數字電路、模擬電路仿真。其強大的仿真功能和較高的準確性，已經得到業界的普遍認可，成為業界最為流行的射頻EDA軟件。把它應用到電磁場與微波技術教學中可將抽象的電磁場可視化，這樣可以減少繁瑣的數學推導運算，把師生從繁瑣重復的低級勞動中解放出來，進而用更多的時間來理解抽象的概念。從理論模型的數學建模、虛擬仿真，再到模型參數修正等一整套過程，還可以培養學生分析問題、解決問題的科研能力。

下面以微波濾波器為例來闡述ADS軟件在射頻微波電路中的應用及特點。

（一）仿真目標

微波濾波器的設計要求：帶內衰減小于2dB；通帶3-3.1GHz；端口反射系數小于-20dB；2.8GHz以下，3.3GHz以上衰減大于40dB。要求利用ADS軟件根據設計指標計算出所需要的微波傳輸線的尺寸。

（二）具體過程

在進行微波濾波器的設計時，主要是以濾波器的散射參數S作為優化目標進行優化仿真的。

首先利用ADS軟件實現濾波器仿真，再利用S參數仿真控制器來仿真S曲線。下圖是完整的濾波器仿真原理圖。

完整的濾波器仿真原理圖

四、結束語

利用ADS軟件所設計優化的微帶濾波器尺寸計算準確，且隨著設計參數要求可以實時改變。另外，各種類型的微波濾波器都可以實現。因此，可以在微波與射頻電路的相關教學中引入計算機輔助軟件——ADS軟件，可以克服由于微波波段的實驗設備價格昂貴而對實驗內容發展造成的影響，把抽象的、理論性強的各種微波電路的設計，通過屏幕直接在課堂中展示給學生，提高學生的學習興趣，從而加強學生對電磁場與微波技術相關概念和相關電路的掌握，最終達到改善教學效果的目的。

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