波導的圖形化教學研究

薛紅 邵尉 晉軍

摘要：文章通過對電磁課程中波導的教學和思考，以圖形化輔助教學模式進行實踐，培養(yǎng)學生“場路結合，化場為路”的科學思維方法。為了解決對波導概念內涵和外延的準確把握，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，使教學內容更為整體、直觀，提高學生的學習效率，取得較好的教學效果。

關鍵詞：波導；HFSS；參數(shù)

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：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在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中占據(jù)舉足輕重的地位。通信類學生需要建立系統(tǒng)的完整的相關知識體系，而現(xiàn)代教育理念對本科學歷教育的要求是“厚基礎，寬口徑”，專業(yè)課程的設置受到學時數(shù)的限制。我校對相關課程進行改革和創(chuàng)新，將傳統(tǒng)意義上的“微波技術基礎”、“天線與電波傳播”、“光通信基礎”3門課程涉及的主要知識點進行整合，開設出核心必修專業(yè)課程“電波與光波傳輸技術”。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。通過該課程學習，著力培養(yǎng)學生綜合運用所學知識解決微波與光波傳輸問題的能力，提高學生的專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新精神。

二、教學目標

“電波與光波傳輸技術”課程內容多，概念抽象，公式煩瑣，理解難，課程實施應突出對基本概念內涵及外延的準確把握，以提高學生的綜合素質和創(chuàng)新能力為目標，用生動有效的形式開展教學。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。通過對這部分內容的學習，使學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)學員抽象思維能力以及對知識的綜合、分析能力，應用“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，提高知識的綜合應用能力。通過了解均勻介質波導和均勻光纖的基本傳輸原理和傳播特性，學生學會應用已有的幾何光學和電磁場理論知識解決光波導中光傳輸問題的一般方法。

三、教學實踐

本文結合電磁仿真軟件HFSS進行圖形化教學研究，以微波傳輸線中金屬矩形波導為例，將仿真工具融入理論教學、實驗教學中，加強學生對金屬波導理論知識的理解以及綜合運用理論知識的能力。在教學中，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。教師引導學生根據(jù)需要創(chuàng)建設計模型，分配模型的邊界條件和激勵，定義求解設置，輸出設計結果。這樣，既能現(xiàn)學現(xiàn)用，又能理解內涵。

我們以一個帶有隔片的T形波導為例進行說明。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的波導壁向內凹進去，相當于在此處放置了一個金屬隔片。可以通過調節(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。我們假設隔片位于T形波導的正中央，在8-10GHz的工作頻段內，波導3個端口的S參數(shù)隨頻率變化關系，并分析查看在10GHz時波導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

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

（二）分析求解設置

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

選擇T形波導模型的上表面，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)化分析設置

當隔片位置向端口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)化設計時，可以設置變量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、結語

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

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