梁彥霞

摘要：新工科背景下，為提高無線通信教學(xué)質(zhì)量，各大院校在數(shù)字技術(shù)賦能教學(xué)實(shí)踐路徑下進(jìn)行了不同形式的教學(xué)改革，產(chǎn)生了較好效果。文章以此為背景概述了無線通信教學(xué)中應(yīng)用仿真技術(shù)的必要性，并在剖析射頻EDA仿真軟件平臺的基礎(chǔ)上，結(jié)合HFSS的無線通信天線仿真、FEKO的無線電波散射特性仿真兩個案例，對其運(yùn)用進(jìn)行了具體探討。

關(guān)鍵詞：無線通信；教學(xué)；仿真技術(shù)；運(yùn)用

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.034

中圖分類號：G 642；TN 92-4? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ? ?文章編碼：1672-7274（2024）04-0-03

Research on the Application of Simulation Technology

in Wireless Communication Teaching

LIANG Yanxia

（School of Communication and Information Engineering （School of Artificial Intelligence）， Xi'an University of Posts and Telecommunications， Xi'an 710061， China）

Abstract： In the context of new engineering， in order to improve the quality of wireless communication teaching， various universities have carried out different forms of teaching reforms under the path of digital technology empowerment teaching practice， which has produced good results. This article provides an overview of the necessity of applying simulation technology in wireless communication teaching， and based on the analysis of the RF EDA simulation software platform， it specifically explores its application by combining HFSS's wireless communication antenna simulation and FEKO's wireless wave scattering characteristics simulation.

Keywords： wireless communication; teaching; simulation technology; apply

在改變?nèi)粘Ｉ?、生產(chǎn)方面，無線通信技術(shù)發(fā)揮了巨大作用。近年來，隨著無線通信技術(shù)與數(shù)字技術(shù)的深度融合應(yīng)用，既推動了各行業(yè)、領(lǐng)域的快速發(fā)展，也擴(kuò)大了人力資源市場對無線通信專業(yè)類人才的需求。為滿足新的發(fā)展需求，各大院校從新工科背景出發(fā)積極開展了無線通信教學(xué)改革，增強(qiáng)了對各類新材料、新技術(shù)、新工藝的運(yùn)用。從作用看，仿真技術(shù)作為一種新型數(shù)字技術(shù)兼具了理論與技術(shù)雙重屬性，應(yīng)用到無線通信教學(xué)中后，一方面有利于輔助教師創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室、克服傳統(tǒng)教學(xué)“重理論，輕實(shí)踐”的弊端，另一方面可促進(jìn)教學(xué)工作向高質(zhì)量方向發(fā)展。下面先對無線通信教學(xué)中運(yùn)用仿真技術(shù)的必要性進(jìn)行簡要概述。

1? ?無線通信教學(xué)中應(yīng)用仿真技術(shù)的必要性

1.1 從教學(xué)改革角度分析

無線通信課程屬于專業(yè)基礎(chǔ)類課程，教學(xué)內(nèi)容涵蓋范圍較廣，主要包括：通信原理、高頻電子線路、概率論、信息論與編碼理論、數(shù)字信號處理、無線電波傳播等。由于該課程具有專業(yè)性強(qiáng)、復(fù)雜性高等特點(diǎn)，各大院校在新工科背景下為響應(yīng)教育部“金課”建設(shè)要求，通常按照“兩性一度”指標(biāo)開展多元化教學(xué)改革。

然而，受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源配置不足的影響（主要包括購買資金、設(shè)備體積、運(yùn)維管理等），教學(xué)改革捉襟見肘，導(dǎo)致了實(shí)際改革效果與預(yù)期效果相差懸殊的情況。從以往的教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)看，部分院校面向“新工科”人才培養(yǎng)方向開展無線通信實(shí)踐教學(xué)時仍存諸多困難，提出了“建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室”方案，起到了緩解教學(xué)改革實(shí)踐難題的效果[1]。因而，新時期有必要借鑒相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，持續(xù)擴(kuò)大對仿真技術(shù)的運(yùn)用，進(jìn)一步推進(jìn)無線通信教學(xué)改革工作。

1.2 從學(xué)生就業(yè)角度分析

無線通信教學(xué)中的人才培養(yǎng)直接關(guān)系到企業(yè)專業(yè)人才供給及學(xué)生就業(yè)，在需求導(dǎo)向下培養(yǎng)無線通信類專業(yè)人才時，教師首先要根據(jù)與學(xué)生就業(yè)對口的行業(yè)、企業(yè)現(xiàn)狀，去調(diào)整部分教學(xué)內(nèi)容。目前，各行業(yè)企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型期間已普遍應(yīng)用無線通信技術(shù)。在專業(yè)人才的需求方面，十分強(qiáng)調(diào)對無線通信技術(shù)運(yùn)用及相關(guān)設(shè)施設(shè)備運(yùn)維管理等人才的招聘。在這種情況下，無線通信技術(shù)教學(xué)改革實(shí)踐中，應(yīng)增強(qiáng)對仿真技術(shù)的運(yùn)用，使學(xué)生在理解所學(xué)內(nèi)容的同時熟練掌握仿真軟件，為后續(xù)就業(yè)打下堅實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

2? ?無線通信教學(xué)中對仿真技術(shù)的運(yùn)用分析

無線電通信專題課程教學(xué)中，“無線電波傳播”部分具有理論性強(qiáng)、抽象特征鮮明、實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展難度大的基本特點(diǎn)。下面以此為對象，結(jié)合無線通信天線仿真、無線電波散射特性仿真兩種方法，對射頻EDA仿真軟件平臺在其教學(xué)中的運(yùn)用展開分析。

2.1 仿真軟件平臺

無線電波傳播屬于無線通信教學(xué)中的基礎(chǔ)類專業(yè)課程，不僅包括信道估計與均衡分集，還涉及諸多無線通信新技術(shù)（如智能反射、多無線技術(shù)等）。從以往教學(xué)經(jīng)驗(yàn)看，教學(xué)中存在的困難集中表現(xiàn)在兩個方面：一是該課程內(nèi)容理論性較強(qiáng)，牽涉若干抽象教學(xué)概念，教師向?qū)W生講解專業(yè)術(shù)語時，存在學(xué)生接受效果差的問題。尤其在無線通信天線相關(guān)的參數(shù)、無線電波不同形式的傳播機(jī)制方面，學(xué)生往往會出現(xiàn)理解不準(zhǔn)確的情況。二是該課程中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求高，在缺乏配套實(shí)驗(yàn)設(shè)備的情況下較難開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

為此，實(shí)踐中引入射頻電子設(shè)計自動化（Electronic Design Automation，EDA）軟件平臺（以下簡稱EDA軟件）開展教學(xué)，旨在解決上述兩個問題。從筆者查閱文獻(xiàn)資料、同行交流及教學(xué)經(jīng)驗(yàn)看，在該門課程方面應(yīng)用較多的是HFSS軟件與FEKO軟件。

2.1.1 以HFSS軟件為例

該軟件屬于三維全波電磁仿真類軟件（生產(chǎn)廠家是美國ANSYS公司），用戶界面十分友好且具有強(qiáng)大的仿真功能，可滿足電磁特性相關(guān)的仿真與設(shè)計需求，適用于無線電波傳播教學(xué)中的天線、射頻與微波器件教學(xué)仿真等。從同類課程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)看，在無線通信天線仿真方面應(yīng)用該軟件能夠快速搭建各種應(yīng)用場景并進(jìn)行仿真分析。尤其在提取天線的S參數(shù)與其他參數(shù)方面可實(shí)現(xiàn)“一鍵式操作”。當(dāng)學(xué)生使用該軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)時，能夠在可視化條件下觀察相關(guān)曲線與三維圖，更為全面、深入地理解天線收發(fā)無線信號相關(guān)教學(xué)內(nèi)容中相對抽象的原理及隱秘路徑[2]。

2.1.2 以FEKO軟件為例

該軟件與上述軟件屬于同一類型，全稱三維全波電磁仿真軟件（生產(chǎn)廠家是德國Altair公司），適用范圍廣泛，主要包括電磁兼容、射頻電路、電波傳播等領(lǐng)域。同時，在輸出表面電流、散射截面及各類圖形結(jié)果顯示方面具有明顯優(yōu)勢。與HFSS軟件相比，該軟件對電大尺寸復(fù)雜場景中的電磁分析適配性較高。例如，在無線電波傳播教學(xué)中應(yīng)用FEKO軟件時，學(xué)生能夠根據(jù)其輸出與顯示更為直觀地分析實(shí)際情況，從而掌握無線電波傳播內(nèi)在機(jī)制等。

2.2 仿真軟件的運(yùn)用分析

2.2.1 以無線通信天線仿真為例

無線通信中的前端部件中，天線主要負(fù)責(zé)發(fā)送與接收無線電信號。應(yīng)用HFSS軟件時，教師可以搭建天線三維立體模型，繪制輻射遠(yuǎn)場景分布彩圖，使學(xué)生更為直觀、形象地感受其電波輻射等。例如，微帶貼片天線通常應(yīng)用在短距離無線通信系統(tǒng)之中，結(jié)構(gòu)主要包括：介質(zhì)基板、1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器、50 微帶線、輻射貼片等。此時，教師可應(yīng)用仿真軟件開展相關(guān)教學(xué)工作。

首先，教師打開FEKO軟件后，先進(jìn)行“項目導(dǎo)入”，然后在模型界面的“參數(shù)設(shè)置”欄直接輸入微帶貼片天線相關(guān)參數(shù)，搭建微帶貼片天線結(jié)構(gòu)模型。以常用微帶貼片天線為例，相關(guān)參數(shù)如下：①RR4板介電常數(shù)（εr）：4.4；②輻射貼片長度與寬度：28 mm、37.26 mm；③介質(zhì)基板長度與寬度及高度：74.45 mm、74.52 mm、1.6 mm；④阻抗轉(zhuǎn)換器長度與寬度：17.45 mm、50 ；⑤微帶線長度與寬度：15 mm、2.98 mm。導(dǎo)入上述參數(shù)后生成的模型如圖1所示。

其次，教師可以根據(jù)天線輻射特性仿真教學(xué)實(shí)際需求，模擬其回波損耗曲線（S11曲線）。然后，引導(dǎo)學(xué)生通過回波損耗曲線，對其正常工作中的能量傳輸工作寬帶加以確認(rèn)。由于該曲線呈現(xiàn)為“漏斗型”，學(xué)生能夠在Freq-dB（S11）回波損耗曲線圖中精準(zhǔn)找出S11取值范圍，并在-10 dB以內(nèi)確認(rèn)其工作帶寬范圍（2.428～2.488 GHz）。除此之外，教師還可以清晰、明確地向?qū)W生指出其相對帶寬、中心頻率分別為2.4%和2.45 GHz等。同理，教師按照同樣的仿真教學(xué)方法，“提取”參數(shù)操作生成該天線的電壓駐波比曲線、三維輻射方向圖，使學(xué)生通過二維曲線與三維方向圖直觀地觀察該天線工作期間無線電波傳播情況，從而理解其工作機(jī)制[3]。

2.2.2 以無線電波散射特性仿真為例

無線電波傳播機(jī)制是無線電通信教學(xué)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，原因如下：一是該機(jī)制涉及的抽象概念較多，學(xué)生容易出現(xiàn)概念混淆。二是進(jìn)行散射截面模型、多徑反射模型分析時，缺乏可視化條件支持，學(xué)生較難理解抽象模型。在這種前提下，為幫助學(xué)生理解其學(xué)習(xí)中需要了解的目標(biāo)模型，更為清楚地觀察相關(guān)輸出信息，教師可選擇FEKO軟件，對無線電波相關(guān)特性開展仿真分析，幫助學(xué)生理解其機(jī)制[4]。

以無線電波散射特性仿真為例，教師可以從散射機(jī)制出發(fā)搭建飛機(jī)散射目標(biāo)模型，并在其基礎(chǔ)上分析飛機(jī)散射特性，使學(xué)生理解其機(jī)制。具體而言，在遭遇不規(guī)則物體阻礙的情況下，無線電波傳播中會出現(xiàn)散射現(xiàn)象。此時，教師可以將一個具體的飛機(jī)作為對象，先簡化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與構(gòu)成材料，確認(rèn)相關(guān)參數(shù)，再進(jìn)行仿真分析。

其次，教師結(jié)合課程內(nèi)容指導(dǎo)學(xué)生觀測上述曲線中的RCS數(shù)據(jù)，并在軟件中提取無線電波傳播中的路徑損耗，進(jìn)而使其完成對具體目標(biāo)的識別與確認(rèn)，進(jìn)而使學(xué)生理解其中的機(jī)制。

第三，教師可根據(jù)飛機(jī)在三維空間中的散射強(qiáng)度分布情況，建立3D RSC分布圖，使用藍(lán)色、紅色箭頭分別標(biāo)記入射波方向與入射波線極化方向。此時，教師與學(xué)生的觀察角度可以從0°擴(kuò)大至360°，全方位實(shí)施對三維空間中遠(yuǎn)場散射回波強(qiáng)度分布情況進(jìn)行觀察與分析。具體操作時，教師可根據(jù)“掃角”的實(shí)際情況，選擇1°作為步進(jìn)值設(shè)置參數(shù)，然后建立3D飛機(jī)表面無線電波激發(fā)的感電流強(qiáng)度分布圖，讓學(xué)生借助直觀的三維可視化教學(xué)理解無線電波傳播散射機(jī)制等[5]。

3? ?結(jié)束語

總之，新工科背景下的無線通信教學(xué)越來越重要，為促進(jìn)高質(zhì)量教學(xué)與高水準(zhǔn)實(shí)踐目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，有必要在此類課程教學(xué)中擴(kuò)大對仿真技術(shù)要素的配置比例為其實(shí)踐賦能。結(jié)合上述分析可以看出，在無線通信教學(xué)中應(yīng)用諸如HFSS、FEKO之類的EDA射頻仿真軟件，有利于在三維立體環(huán)境下更為清晰地呈現(xiàn)無線電波輻射特性，把抽象的多徑反射、散射截面等具象化，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。建議教師在新時期無線通信教學(xué)實(shí)踐中，盡可能根據(jù)無線電通信教學(xué)中的實(shí)際課程內(nèi)容，選擇適配性較高的仿真技術(shù)及配套軟件，全面提高此類教學(xué)的直觀性與可視化程度，增進(jìn)學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解。

參考文獻(xiàn)

[1] 代健美，高麗娟．無線通信教學(xué)改革與實(shí)踐[J]．教育現(xiàn)代化，2022（21）：165-169.

[2] 崔琪楣，劉宜明，秦曉琦，等．新工科背景下無線通信中的人工智能課程思政教學(xué)改革與實(shí)踐[J]．高教學(xué)刊，2023（21）：37-40.

[3] 常春，武明虎，廖力．基于軟件無線電的通信專業(yè)實(shí)踐教學(xué)探索[J]．教育教學(xué)論壇，2022（23）：117-120.

[4] 王濤．面向物聯(lián)網(wǎng)的無線通信實(shí)踐教學(xué)改革探索[J]．中國新通信，2022（8）：7-9.

[5] 李奕彤．無線通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計及其持續(xù)改進(jìn)研究[J]．科學(xué)咨詢，2022（13）：47-49.