基于HFSS软件的电波与天线课程资源库的建设与实践

谭立容　张照锋

摘要：为了教学的更好实施，采用仿真软件HFSS（High Frequency Structure Simulator）开发了电波与天线课程仿真模型资源库，并结合仿真模型资源库编写了出版教材《电波与天线》 ，将该课程资源库和教材用于实际教学中。经调查显示，课程资源库的有效运用有助于教师的教学，其教学效果整体上要好于传统教学。

关键词：课程资源库天线电磁波仿真软件高职院校

中图分类号：G712文献标识码：B

1.引 言

以无线电磁波为核心的无线电技术是现代电子工程领域一门迅速发展的技术，对于这项现代电子通信行业中不可缺少的技术，掌握并且能够灵活应用已成为相关专业学生就业的一个基本条件。目前，无线电技术专业是我们学校与其它高职院校相比具有特色的一个专业，而电波与天线课程是我校无线电技术专业一门重要的专业核心课程。但是，多年来，涉及到电磁波或天线的这类课程在各个高校的教学过程中，学生普遍感觉“比较抽象、难理解，看书看不懂，很难理清头绪”，究其原因，主要是：（1）涉及到电磁波或天线的这类课程书中普遍存在大量数学推导、计算；（2）涉及到电磁波或天线的这类课程中普遍存在大量抽象的概念，如平面波、天线方向图等，往往难理解。

我校（南京信息职业技术学院）于2012年5月启动“基于HFSS仿真软件的电波与天线课程资源库的建设”课题，该课题结合电波与天线课程标准，采用仿真软件HFSS仿真课程教学内容所需常见器件和天线，形成仿真模型资源库，结合仿真模型资源库编写配套教材《电波与天线》（2012年下半年由西安电子科技大学出版社出版），供上课使用。

2.课程仿真资源库的开发

（1）开发工具简介

HFSS软件是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件。利用它可求解任意三维射频、微波器件的电磁场分布，广泛地应用于各种微波器件和天线的设计。

（2）课程资源库的建设思路

本课题的研究中，我们采用的研究策略有：研教结合、边实践边总结等，具体的研究过程是这样的：

① 从电波与天线课程标准出发，提取预期要完成的仿真模型清单

② 课题组各成员收集和学习相关资料

③ 分工完成仿真模型资源库

④教材的编写

⑤教学实践（在2012下半年在电波与天线教学中使用了该课程仿真资源库）

⑥对前期工作进行总结

⑦整理并形成研究总报告

3.课程资源库的实践

我们在教材如下章节中用到了课题组所开发仿真模型资源库：

项目3、用HFSS观察平面电磁波

项目4、用HFSS仿真线天线

项目5、用HFSS仿真天线阵

项目6、用HFSS仿真宽频带天线

项目7、用HFSS仿真波导缝隙天线

项目8、用HFSS仿真喇叭天线

在实际教学中，考虑到教学总学时（45）的限制，这些所开发仿真模型一部分在课堂教学时供教师课堂教学演示，一部分用于学生在课堂上操作练习，一部分用于学生在课后巩固书中所学知识。以下是基于课题组所实现的仿真模型资源库的教学具体案例：

授课章节名称：

项目4中4.3节 用HFSS仿真对称振子

教学过程设计：

①运用相关课程资源创设情景，导入问题。创设的情景包括：先给出对称振子天线的实物图片及介绍其用途，导入问题：为什么对称振子天线能辐射电磁波等；

② 在进行适当的知识铺垫基础上，运用HFSS仿真半波对称振子，仿真演示过程中突出分析以下内容：

为什么要把代表天线两臂的两个圆柱体在模型材料属性Material设置為理想导体pec或铜copper，两者有何差异？

为什么要在天线两臂中间创建集总端口激励Lumped Port？

经过求解得到仿真结果后，动画演示天线表面电流和电场分布；

再针对具体天线的仿真增益方向图讲解什么是增益、什么是方向图等，并提问哪个方向应是最大辐射方向；

针对具体天线的驻波比仿真曲线，提问什么是驻波比、曲线中哪个频点的驻波比最好等；

针对具体天线效率仿真图表，提问什么是天线效率、天线效率能大于1吗等。

③在以上基础上，布置练习任务：“在HFSS仿真对称振子的实验中，尝试改变对称振子的臂长，以观察方向图的变化”。让学生进行深入研究学习和总结；

④学生课后完成练习，巩固知识；

⑤学生课后通过邮件、微博、QQ群组等进行讨论和展示各自的作品，并相互评审；

⑥教师进行评析、总结和回顾。总结教师和学生在教学过程中与课程资源库交互作用中所产生的经验、方法和结果，甚至整理错误等。

4.基于资源库的教学效果分析

在大多数情况下，传统教学手段缺乏生动性，不能引起学生的有效注意。传统教学在巩固教学过程中所能运用的教学手段和形式是有限的，影响力、教学效果和效率都不够强。并且，课堂教学内容和情景在课后是不可再现的。另外，学生对教材中一些内容很难形成正确的感知。