虛實結合的偶極子天線仿真實驗設計與教學實踐

譚立容 袁迎春 張照鋒 王抗美

摘要：為了提高天線類課程的教學效果，設計了偶極子天線仿真實驗教學環節。該教學環節基于建設的課程網絡平臺，讓學生利用HFSS電磁仿真軟件完成偶極子天線的建模、仿真。在仿真中，學生還需圍繞思考題，探究不同偶極子天線尺寸參數對天線仿真結果的影響，從而進行仿真實驗，得到仿真實驗規律，分組制作不同中心頻率的天線實物，最后測試天線來驗證仿真。調研結果顯示，通過該教學環節，學生更好地理解了偶極子天線相關概念，學生綜合能力得到了提高。

關鍵詞：仿真實驗;電磁仿真軟件;偶極子天線;高職院校

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）01-0254-03

1概述

天線類課程是許多高校相關專業學生必修的課程，但是天線類課程往往也是讓許多學生聞之色變的課程，因為相關理論抽象、數學公式很多，導致許多知識儲備不夠、理論基礎薄弱的學生很頭痛。在高職院校以上問題更為突出，例如，在筆者所在高職學校，傳統教學方式已經不適于運用于《天線安裝與調試》教學，不利于對學生應用能力的培養，不利于調動學生學習的主動性。因為該課程的相關理論比較抽象、難理解，單看書看不懂，而課程總學時僅28學時。

為了解決這些問題，再加上天線技術是一門實踐性很強的學科，學生不光需要學習各種硬件設備，例如：網絡分析儀、微波器件、頻譜儀等，還需要學習行業軟件。HFSS軟件是一個在射頻微波業界廣泛應用的商業化電磁場仿真軟件，學習該軟件對于學生就業或將來適應崗位具有一定幫助。為了滿足教學的需求，很多學者開展了相關的仿真教學研究：屈樂樂、楊天虹等學者為了解決在天線實驗教學中實踐環節開設不夠的問題，開展了基于HFSS仿真軟件的實驗課程改革，節省了設備資源、提高了教學效果;為了讓學生更好理解微帶天線的原理，李俊生結合HFSS軟件仿真讓學生從多方面、多角度地理解，在教學中取得了較好的課堂教學效果。

偶極子天線是天線類教材里常見天線，是相關課程必修內容，但高職學生往往比較難理解其抽象的理論，他們自主學習能力弱、動手能力稍好。常規仿真實驗的設計缺乏數字校園環境下課程網絡平臺的支持，缺乏動手測試天線實物的仿真驗證，效果欠佳。為了提高《天線安裝與調試》課程教學質量，解決以上存在問題，需要探索新的教學方法，通過設計結合實踐的仿真實驗來幫助學生理解相關概念。

2偶極子天線仿真實驗內容

2.1設計目標

采用HFSS軟件設計分析如圖1所示半波偶極子天線，天線材料為銅，銅絲直徑是a=2mm，通過設計讓天線工作頻率為0.6 GHz;并分析討論半波偶極子天線的天線臂長度變化的影響。

2.2設計步驟

打開軟件Ansoft HFSS，新建一個項目，為將建立的模型設置適合的單位和求解類型，在HFSS中添加如下變量：

接著創建半波偶極子天線3D模型，包括天線的上臂（對應坐標原點上方圓柱體）、下臂（對應坐標原點下方圓柱體）和天線的饋電端口（對應上下圓柱體中間的矩形塊），如下圖：

給天線模型設置材料特性，在軟件操作界面中同時選中天線的上下臂，將其材料屬性設置為理想導體pec。在天線的饋電端口創建集總端口激勵，設置端口阻抗值和積分線。再創建空氣盒，將其設置為輻射邊界屬性。

采用在授課教材或課程網站仿真視頻里介紹的參數掃描方法.選擇Project工作區的Optimetrics，點擊鼠標右鍵，選擇Paramtric項，對設置的變量進行參數掃描，觀察半波偶極子天線的天線臂長度等參數變化時對天線性能參數帶來的影響，從而找到恰當的值來滿足設計目標。

2.3仿真實驗思考題

在學生明確了偶極子天線仿真實驗的設計目標和設計步驟后，還需要給學生相關思考題，讓學生從中有所啟迪，通過自己思考并在仿真中尋求答案，從而能真正掌握相關知識。因此，圍繞偶極子天線仿真實驗內容在網上課程平臺布置如下思考題：

（1）在圖2中各變量代表什么？

（2）當我們改變變量lambda值會怎樣？

（3）改變變量dip_length又會怎樣？

（4）變量res_length為什么要乘以系數0.485呢？

（5）偶極子天線的天線臂長度對應的是哪個變量？

3偶極子天線仿真實驗的教學實踐

3.1教學實踐環節的設計

在偶極子天線仿真實驗開展教學實踐時，先由教師提出評價考核標準和天線的設計目標，再讓學生根據設計目標完成偶極子天線的理論知識學習和仿真調試，并完成仿真實驗思考題，具體如下：

（1）老師先簡單說明仿真實驗內容安排、評價考核標準和仿真實驗任務的具體要求（如圖4所示），讓學生有目的、帶著問題完成布置的課程任務，同時也避免了抄襲;

（2）教師在課程網絡平臺上發布偶極子天線學習資料和仿真視頻，視頻里有具體步驟，方便學生完成仿真實驗任務;

（3）學生在課程網絡平臺線上觀看學習資料和視頻，老師在課堂上或者通過qq等平臺輔導學生學習課程基礎知識和所需仿真軟件;

（4）在教師激勵和指導下，學生按照課程網絡平臺上的操作視頻完成偶極子天線的仿真設計;

（5）每個學生需以“半波偶極子天線的尺寸參數變化的影響”為主題完成仿真微視頻，并上傳到課程網絡平臺;

（6）教師和學生對上傳的網上視頻進行評價，再結合學生仿真實驗思考題的回答情況，給予打分。

（7）根據半波偶極子天線的定義和所得到仿真規律分組實現不同中心頻率的天線，按照以下制作步驟得到對應天線實物并用網絡分析儀測試天線回波損耗等參數來驗證仿真。

制作偶極子天線步驟：

1）選擇半徑為1mm的銅絲作為制作偶極子天線兩端的材料。

2）根據仿真模型將銅絲制作成兩根相應長度的銅條，將兩根銅條一端的漆和氧化銅刮掉，便于后面的焊接。

3）準備一根特性阻抗為50歐姆的同軸電纜，取電纜頂端約2cm左右長度，將其外層的黑色橡膠層剝去。露出漁網狀細銅絲包裹的白色橡膠層，將漁網狀細銅絲擰成一股，再將白色橡膠層剝去，最后露出同軸電纜中心銅絲。

4）預熱電烙鐵，待電烙鐵加熱完畢。將事先刮好的銅條一根焊接在擰好的漁網狀細銅絲上，另一根焊接在同軸電纜的中心銅絲上。

3.2教學實踐的教學效果

在完成“偶極子天線仿真實驗”教學環節的教學實踐后，各組學生得到類似如下圖所示天線工作波長lambda對天線s11參數影響的規律曲線，再根據仿真制作了類似如下圖所示不同中心頻率的偶極子天線實物。

開展的課程問卷調查統計結果顯示：至少百分之九十以上的學生在課程網絡平臺和老師幫助下通過“偶極子天線仿真實驗”教學實踐后，使解決問題的能力提高了，通過仿真更好地理解了天線的基本概念;95.2%的學生認為“偶極子天線仿真實驗”教學環節在促進學生積極思維方面的效果到達“優秀”或“比較好”。

4結論

由調查結果可見，采用“偶極子天線仿真實驗”教學后增加了學生的動手機會和動手時間，有利于提高學生綜合能力，能更好地幫助學生理解天線相關基本概念。課程網絡平臺下虛實結合的仿真實驗教學效果更好，更直觀地讓學生理解了偶極子天線基本概念，同時避免了老師給學生反復講解常規軟件操作步驟，讓老師有更多時間集中在重點問題。以上教學實踐環節的設計思路也可以推廣到其他采用了輔助軟件的課程教學中。