基于HFSS的微波技術與天線課程教學實踐與探索

姜沛 惠明 張帥

摘要：為了激發學生的學習興趣，使學生更直觀地理解微波天線的基本知識、基本原理，提高微波技術與天線課程教學質量，提出將電磁仿真軟件HFSS引入到課堂教學中。以基于新型的基片集成間隙波導的縫隙天線為例，采用HFSS對其進行優化設計和仿真研究，對天線的關鍵參數和輻射特性進行了分析，將抽象的天線理論轉化為圖形演示，重點展示了HFSS輔助教學的直觀可視化特點。教學實踐證明，這種方法提高了學生的學習積極性，具有可行性和有效性。

關鍵詞：HFSS;電磁仿真;微波技術;天線;教學實踐

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）26-0215-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Teaching Practice and Exploration of Microwave Technology and Antenna Course based on HFSS

JIANG Pei， HUI Ming， ZHANG Shuai

（College of Physics & Electronic Engineering， Nanyang Normal University， Nanyang 473061， China）

Abstract： In order to stimulate students' interest in learning， and make students understand the basic knowledge and principle of microwave antenna more intuitively， and improve the teaching quality of microwave technology and antenna course， the electromagnetic simulation software HFSS is introduced into the classroom teaching. Taking a slot antenna based on substrate integrated gap waveguide as an example， it is optimized and simulated using HFSS. The key parameters and radiation characteristics of the antenna are analyzed. The abstract antenna theory is transformed into a graphical demonstration. The visual characteristics of HFSS assisted teaching are emphasized. The teaching practice has proved that this method， which can improve students' learning enthusiasm， is feasible and effective.

Key words： HFSS; electromagnetic simulation; microwave technology; antenna; teaching practice

1 引言

“微波技術與天線”是電子信息類專業必修課程之一。該課程內容涵蓋傳輸線理論、微波網絡基礎、微波元器件和天線理論等，具有較強的理論性和實踐性[1]。在工程上，微波技術是分析設計天線、濾波器、定向耦合器等微波元器件的基礎，天線是無線通信系統不可或缺的組成部分[2]，是能量從有線傳輸到無線傳輸過渡的橋梁。因此，學好該課程對于電子信息類專業的學生具有十分重要的意義。

2 課程特點及存在的挑戰

該課程專業性強，先修課程比較多，要求有較好的數學基礎。抽象性強，公式繁多且復雜，且物理概念不容易理解[3]。時效性強，與實際的工程問題息息相關，要求老師關注最新學科前沿，以保持課程的新穎性。從而造成了學生難學、教師難教的局面。

開設相應的實驗課程可有效改善上述問題，也符合我校“應用型區域高水平大學”建設目標的要求。通過實驗課程，學生既可以深入理解課堂理論教學內容，又能鍛煉應用理論知識解決實際問題的能力。但是實驗課程的開設存在一定困難，因為除了基本的儀器設備外，還需要配備矢量網絡分析儀、微波暗室等硬件設施，這些都需要投入大量的資金。而且儀器的操作比較復雜，操作不當還可能帶來較大的經濟損失[4]。

隨著射頻微波電路仿真技術的發展，已有越來越多成功的教學案例將仿真軟件應用到微波技術與天線課程的教學中。仿真實驗課程是學校在專業人才培養和資金控制方面的良好折中，是一種效果非常好的教學方法[5]。為此，本文將常用的電磁場仿真軟件HFSS應用到微波天線的課堂教學中，為學生構建直觀性的學習情景。緊貼科技前沿，以基于新型的基片集成間隙波導的縫隙天線為例，通過創建天線模型，詳細分析天線關鍵參數，使學生深入、透徹地理解天線的基本理論。

3 基于HFSS的基片集成間隙波導縫隙天線分析

天線理論是抽象的，電磁場是看不見摸不著的，學生很難建立直觀的認識。利用電磁仿真軟件為學生構建開放的學習環境，提供更多獲取知識的途徑和更好地綜合運用于實踐的環境，可以形象地呈現出抽象的天線結構及電磁場，便于學生觀察和分析[6]，從而改變傳統的以教師、課堂和書本為中心的教學狀況。下面以基片集成間隙波導縫隙天線為例，通過HFSS仿真，直觀地呈現出天線的特性，并分析其關鍵信息。