孫翠珍

[摘 要] 針對“電磁場與微波技術(shù)”課程理論性強(qiáng)、概念抽象、教學(xué)難等特點(diǎn)，在教學(xué)過程中引入了電磁場微波類的輔助教學(xué)工具ADS軟件?？梢暂^大程度地提高學(xué)生學(xué)習(xí)微波射頻電路的興趣，從而達(dá)到改善教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

[關(guān) 鍵 詞] 電磁場與微波技術(shù)教學(xué)；ADS軟件；微波射頻電路；教學(xué)效果

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

隨著信息時代的發(fā)展，作為信息主要載體發(fā)展方向的高頻電磁波——微波，不僅在衛(wèi)星通信、計(jì)算機(jī)通信、移動通信、雷達(dá)等高科技領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且已經(jīng)深入人們的日常生活中。

而現(xiàn)有的傳統(tǒng)教學(xué)課時較少，相應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件缺乏，造成了學(xué)生很難獲得直觀印象和動手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會，為了改善教學(xué)效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其實(shí)踐創(chuàng)新能力，有必要將仿真設(shè)計(jì)軟件引入該課程的教學(xué)過程中。

一、教學(xué)中遇到的問題

（一）老師不好教

1.電磁場理論基礎(chǔ)

電磁場理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)部分是矢量分析與場論，主要講授矢量的散度、旋度和標(biāo)量的梯度等概念及運(yùn)算，為后面場的分析與運(yùn)算打基礎(chǔ)。

由于理論教學(xué)課時限制，同時考慮到學(xué)生在“大學(xué)物理”中已經(jīng)有電磁學(xué)的基礎(chǔ)，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(chǔ)上，結(jié)合矢量分析重點(diǎn)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(shù)學(xué)、物理、工程數(shù)學(xué)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(xué)方法有著很高的要求。

2.微波技術(shù)基礎(chǔ)

微波技術(shù)課程是相關(guān)后續(xù)課程“天線與電波傳播、衛(wèi)星通信、雷達(dá)系統(tǒng)”等專業(yè)課程的基礎(chǔ)。講授的內(nèi)容主要包括傳輸線的分布參數(shù)、傳輸線的工作狀態(tài)、圓圖及其應(yīng)用、阻抗匹配、矩形波導(dǎo)、微帶線、微波網(wǎng)絡(luò)和微波元件等內(nèi)容。

（二）學(xué)生不好學(xué)

傳統(tǒng)的電磁場與微波技術(shù)系列課程存在兩大缺陷：單獨(dú)的課程羅列，沒有體現(xiàn)課程之間的內(nèi)在聯(lián)系；課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)沒有體現(xiàn)工程意識，學(xué)生獨(dú)立完成的內(nèi)容少。

電磁場與微波技術(shù)課程傳統(tǒng)的教學(xué)方法是以事實(shí)性知識傳授為教學(xué)目標(biāo)，即課程內(nèi)容是介紹“是什么”“為什么”，而缺乏“怎么做”“怎么用”，過分強(qiáng)調(diào)理論，而缺乏對知識的實(shí)際應(yīng)用。另外，由于該系列課程的基礎(chǔ)課程“矢量分析”“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”等課程的任課老師不是專業(yè)課老師，沒有進(jìn)行通信類專業(yè)知識的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，因此在教學(xué)過程中必然缺乏對知識的實(shí)際應(yīng)用，沒有針對性地對不同專業(yè)的學(xué)生在上課內(nèi)容上有所側(cè)重，也是學(xué)生在具體學(xué)習(xí)過程中感到學(xué)習(xí)內(nèi)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(xué)

現(xiàn)有的改革方法包括將理論教學(xué)與日常生活聯(lián)系起來；將教學(xué)過程與科研緊密結(jié)合；通過制作生動形象的多媒體課件；采用“對比教學(xué)法”，將分析方法相似或分析問題相近的內(nèi)容進(jìn)行對比式教學(xué)，使學(xué)生加深對以往學(xué)習(xí)內(nèi)容和新學(xué)習(xí)內(nèi)容的區(qū)別與聯(lián)系的理解等方法。

三、ADS軟件仿真實(shí)例

ADS仿真軟件集合了多種EDA軟件的優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)行頻域、時域仿真，線性、非線性電路仿真，數(shù)字電路、模擬電路仿真。其強(qiáng)大的仿真功能和較高的準(zhǔn)確性，已經(jīng)得到業(yè)界的普遍認(rèn)可，成為業(yè)界最為流行的射頻EDA軟件。把它應(yīng)用到電磁場與微波技術(shù)教學(xué)中可將抽象的電磁場可視化，這樣可以減少繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)運(yùn)算，把師生從繁瑣重復(fù)的低級勞動中解放出來，進(jìn)而用更多的時間來理解抽象的概念。從理論模型的數(shù)學(xué)建模、虛擬仿真，再到模型參數(shù)修正等一整套過程，還可以培養(yǎng)學(xué)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(yīng)用及特點(diǎn)。

（一）仿真目標(biāo)

微波濾波器的設(shè)計(jì)要求：帶內(nèi)衰減小于2dB；通帶3-3.1GHz；端口反射系數(shù)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(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算出所需要的微波傳輸線的尺寸。

（二）具體過程

在進(jìn)行微波濾波器的設(shè)計(jì)時，主要是以濾波器的散射參數(shù)S作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化仿真的。

首先利用ADS軟件實(shí)現(xiàn)濾波器仿真，再利用S參數(shù)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(jié)束語

利用ADS軟件所設(shè)計(jì)優(yōu)化的微帶濾波器尺寸計(jì)算準(zhǔn)確，且隨著設(shè)計(jì)參數(shù)要求可以實(shí)時改變。另外，各種類型的微波濾波器都可以實(shí)現(xiàn)。因此，可以在微波與射頻電路的相關(guān)教學(xué)中引入計(jì)算機(jī)輔助軟件——ADS軟件，可以克服由于微波波段的實(shí)驗(yàn)設(shè)備價格昂貴而對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容發(fā)展造成的影響，把抽象的、理論性強(qiáng)的各種微波電路的設(shè)計(jì)，通過屏幕直接在課堂中展示給學(xué)生，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而加強(qiáng)學(xué)生對電磁場與微波技術(shù)相關(guān)概念和相關(guān)電路的掌握，最終達(dá)到改善教學(xué)效果的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉雄英.電磁場與微波技術(shù)課程形象化教學(xué)方法探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24（6）：104-106.

[2]王春彥，邸金紅.Matlab在電磁場與微波技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2014，27（2）：43-48.

[3]馬愈昭，許明妍，范懿.電磁場與微波技術(shù)課程的三種特色教學(xué)手段[J].武漢大學(xué)學(xué)報（理學(xué)版S2），2012（58）：109-112.

[4]蔣云晨，袁立和.計(jì)算機(jī)輔助電磁波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，1999，16（1）：4-7.

[5]雷振亞.射頻/微波電路導(dǎo)論[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[6]瓦·楊森.微波與帶狀線[M].鮑賢杰，譯.國防工業(yè)出版社，1981.

[7]李嗣范.微波元件原理與設(shè)計(jì)[M].人民郵電出版社，1982.

[8]楊維明，吳姣，張勁，等.基于分形技術(shù)的階躍阻抗微帶低通濾波器設(shè)計(jì)[J].電波科學(xué)學(xué)報，2010，25（5）：1000-1004.

[9]徐興福.ADS2009射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例[M].電子工業(yè)出版社，2009.