基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的《電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)》教學(xué)案例研究

廖 臻 廖志斌 劉宇平

（[1]杭州電子科技大學(xué) 浙江·杭州 310018；[2]新余學(xué)院 江西·新余 338000）

1 利用工程問題構(gòu)建《電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)》教學(xué)案例

傳統(tǒng)的《電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)以教師為主體、學(xué)生為主導(dǎo)被動(dòng)的去學(xué)習(xí)知識(shí)。教學(xué)方式是 PPT演示的模式。教材內(nèi)容固定，使得學(xué)生很難提高學(xué)習(xí)的興趣和積極性。沒有實(shí)際性的例子，學(xué)生對(duì)于復(fù)雜和抽象的概念很難理解和應(yīng)用。利用項(xiàng)目需求構(gòu)建《電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)》的教學(xué)案例，其目的在于改變現(xiàn)在學(xué)生被動(dòng)式的學(xué)習(xí)方式，為學(xué)生構(gòu)建全新的學(xué)習(xí)途徑，更好的綜合運(yùn)用于課程知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

自從2002年2月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）正式將3.1-10.6 GHz的超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）頻段批準(zhǔn)用于民用通信以后，超寬帶天線開始受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。并且隨著高速集成電路的發(fā)展，目前超寬帶天線的研究方向主要集中在小型化、集成化等方向。

2 超寬帶單極子天線設(shè)計(jì)與電磁仿真

本文中作為典型工程項(xiàng)目的超寬帶天線的具體結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示。采用圓形單極子作為天線主輻射單元，饋電部分采用的是50歐姆微帶線饋電，天線的結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單。該天線印刷在相對(duì)介電常數(shù)為4.4、厚度為1.6 mm的FR4介質(zhì)板上。

圖1：天線結(jié)構(gòu)

使用CST微波工作室對(duì)天線進(jìn)行電磁仿真，得到該超寬帶單極子微帶天線的反射系數(shù)曲線，如圖2所示。反射系數(shù)小于-10dB的頻率為2.8到10.8 GHz，工作帶寬為8 GHz，相對(duì)帶寬為117%滿足超寬帶天線的定義。

圖2：天線反射系數(shù)

為了分析天線的輻射特性，在工作頻段內(nèi)選擇5GHz和10GHz兩個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行研究。圖3給出了天線在5GHz和10GHz的仿真三維方向圖。從結(jié)果可以看出天線在低頻時(shí)基本呈現(xiàn)良好的輻射特性。取5GHz和10GHz兩個(gè)頻點(diǎn)研究天線增益方向圖。仿真結(jié)果顯示在5GHz時(shí)，天線的增益為2.41dBi，天線呈全向輻射；在10GHz時(shí)，天線的增益為6.9dBi。該天線性能符合超寬帶天線的設(shè)計(jì)要求。

本案例以設(shè)計(jì)符合項(xiàng)目需求的超寬帶天線為目的，構(gòu)建超寬帶圓形單極子微帶天線。以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法將提升學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的成就感，提高學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)在教學(xué)過程中可以將建模仿真的過程錄制成教學(xué)錄像，上傳至網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，供學(xué)生學(xué)習(xí)，進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

3 結(jié)論

超寬帶天線設(shè)計(jì)作為以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的《電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)》教學(xué)案例，能夠緊跟科學(xué)前沿并與工程項(xiàng)目需求緊密聯(lián)系。同時(shí)，通過仿真軟件形成可視化的電磁場(chǎng)模型，幫助學(xué)生更好地理解和掌握電磁場(chǎng)與電磁波理論，了解電磁波的應(yīng)用前景和市場(chǎng)需求，對(duì)于《電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)》的教學(xué)改革具有一定的參考意義。

圖3：天線方向圖（a）5GHz時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)三維方向圖；（b）10GHz時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)三維方向圖