“微波技术与天线”课程理论与实际相结合探讨

曹维萍++张燕++苏明++陈万军

摘 要：“微波技术与天线”是一门理论性较强的课程，在工程实际中也得到了广泛的应用，因此传统的课堂教学方式也应由纯理论教学发展到理论与实际应用相结合。适当地增加工程设计软件和工程应用的实例，不仅可以激发学生学习的热情、提高学习的积极性，还可以帮助学生进一步理解该课程的重要理论，同时改善教学的效果。

关键词：微波技术与天线 实际应用 教学改革

中图分类号：G64 文獻标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（c）-0226-03

“Microwave Technology and Antennas” Course Explores： Integrating Theory with Practice

Cao Weiping Zhang Yan Su Ming Chen Wanjun

（Northwest-Minzu University， Lanzhou， Gansu， 730030， China）

Abstract：“Microwave technology and antennas” is a strong theoretical course，its also widely used in engineering， so the traditional way of classroom teaching should also bedeveloped to the combination of theory and practical application from the pure theoretical teaching. Appropriately increase the engineering design software and examples of engineering application， not only can stimulate students' enthusiasm， but also help students further understanding the importance theory of the course， at the same time， improve the teaching effect.

Key Words： Microwave technology and antennas； The actual application； The teaching reform

“微波技术与天线”是电子、通信等专业本科生的专业基础课程[1]，又是应用广泛的课程之一。作为信息主要载体的高频电磁波——微波不仅在卫星通信、计算机通信、移动通信、射频识别等领域得到了广泛的应用，而且深入到了各行各业，甚至人们的日常生活。该课程理论性较强，涉及大量的理论和公式，学生普遍感觉晦涩难懂，因此在授课过程中，除了将理论知识传授给学生，还有必要增加与工程应用相结合的内容。如果将课堂教学与实际工程应用相结合，让学生具体了解到该课程内容的实际物理意义及其工程实践意义，那么将会对学生的理解起到不可估量的作用[2]。

1 课程本身的特点

“微波技术与天线”这门课程主要涉及微波技术理论、天线理论及电波传播等，该课程既有较强的理论性又有较强的工程应用性。课程的先修课程比较多，主要对高等数学、电磁场电磁波以及电路理论要求理解的多些，要求学生要有较好的数学基础，是通信、电子专业课程中比较难学的一门专业基础课。该课程教学内容的特点是基本概念基本理论抽象、分析方法多样、公式复杂。单纯在课堂上讲授理论而不和实际应用相结合可能达不到预期的教学目的。在课程结束后，学生依然不清楚为什么学习这门课，学习这门课究竟有什么用。

“微波技术与天线”理论整体是用“场”的分析方法，即用麦克斯韦方程结合边界条件来分析系统内部的结构。这一方法对规则边界条件可以得到严格的解析解，但对复杂的边界条件，其求解过程往往非常繁杂、冗长，甚至难以得到其解。因此，对于一些本质上属于场但在一定条件下可以转化为电路的问题，可以应用“路”的方法进行求解，即在一定条件下“化场为路”，该方法因有足够的精度，数学上又较为简单而被广泛采用[3]。

同时，随着现代无线通信技术的快速发展，同轴线、微带线等微波传输系统广泛被应用在有线电视、闭路监控系统、电信传输系统等，功率分配器、隔离器、定向耦合器也得以应用到室内分布系统和基站等领域，天线的应用更是无处不在，有手机天线、蓝牙天线、基站天线等等。因此，微波与天性技术在很多方面体现了与工程应用紧密联系。

2 教学过程中的特点

2.1 传统教学中存在的问题和不足主要表现

偏重理论教学，实践环节所占的比重小或者没有。有些学校是在大三下学期开设54学时的微波技术与天线课，有的学校是在大四上学期开设48学时的理论课，相关的实验课时没有或者较少。因此在有限的课时内传统教学方法仅仅能将基本的、重要的概念、原理和方法教授给学生，而像微波技术和天线技术的发展前沿、这些技术的工程应用、更深一层次的学科问题涉及较少。另外缺少学科建设及科研经费，造成实验室先进仪器设备相对匮乏，实验不能体现微波与天线的工程应用，也导致了教学理论性和工程应用性不能很好结合。

“微波技术与天线”课程的传统教学方式比较单一。教学过程普遍采用传统的“粉笔加黑板”的教学方式，虽然多媒体手段也得到了广泛的使用，但是针对这门课程，板书所占的比重还是较多。这对于侧重理论推导的课程，有助于让学生充分地理解公式的由来，但同时讲课的效率却无法充分提高。

2.2 学生接受知识的状况

课堂表现不积极主动，学生兴趣不高。由于“微波技术与天线”课程本身的特点决定了它的基本理论知识较难理解，公式推导较多且复杂，学生感到枯燥乏味，有的学生在第一章的学习中就感觉很费力、跟不上，导致后面的内容学起来越来越吃力。

个别章节的内容实际应用性非常强，学生无法将理论与实际相结合，因此教学的效果便大大降低。比如学生对无源微波元器件接触较少，甚至几乎没有见过，所以单纯在课堂上讲授微波元器件的知识总是使学生感到抽象难懂，教学效果也不够好；学生们都乐于通过实验实践的方式来接受微波技术和天线技术的理论。

综合上述的原因及特点，“微波技术与天线”课程的教学改革迫在眉睫。应打破传统的教学模式，充分、合理地利用多媒体和计算机辅助教学，精心设计课程讲授地形式和内容，千方百计使枯燥乏味的学习变得生动起来，充分调动起学生的学习兴趣和积极性，提高学生思考和解决问题的能力，最终的目的是培养出社会真正需要的创新型技术人才。因此，根据该课程的特点，为了增加实践锻炼的机会，让学生切身感受到这门课程的有趣有用之处，应该增加计算机辅助教学等手段。

3 教学方法改革的探讨

3.1 讲好绪论

学生一般在每门课程的开始都充满了好奇和兴趣，一个精彩的“绪论”课能够激发学生的学习热情和求知欲望[2]；反之，如果第一节课讲的平平淡淡，没有悬念，学生就会对这门课失去兴趣。因此，讲好“绪论”显得尤为重要。在“微波技术与天线”课程绪论的讲授中，除了介绍“什么是微波、什么是天线”等内容以外，应重点列举一些微波技术与天线在雷达系统和通信系统中、在我们日常生活中的应用实例。如微波和无线通信的关系、微波的频段是什么、现代无线通信最前沿的4G指的是什么、它的频段又是如何划分？天线的由来、种类以及天线在各个历史时期发展的特点，甚至联系到当下最近的新闻等等。以此来说明随着现代通信技术的发展使得射频、微波、天线技术的应用已经无处不在，说明微波技术与天线技术是如此的重要。所以，通过在绪论中引入这些微波技术的应用实例，可以使学生对该课程将要学习的内容有一个大概的了解，也可以在一定程度上明白必须学好这门课，即体会到该课程的必要性和重要性。

3.2 充分展示“图”的魅力

一套精心制作的幻灯片是教师吸引学生眼球的法宝。为了制作这样的幻灯片，教师应首先对微波技术与天线课程的内容十分熟悉。然后根据各个章节知识的特点进行设计。比如，在绪论中播放一些用到微波技术和天线的图片，搜集一些不同用途不同形式的天線，在微波传输线理论中，借助多媒体生动、形象地来表达“场”这一看不见摸不着的物质，帮助学生在脑海中建立“场”的映象，在均匀无耗传输线的工作状态分析中除了用每一种工作状态的电压电流幅度波形、输入阻抗图形来展示传输线上电压电流和阻抗的分布特点，还可以将3种工作状态下的图形进行比较。当然，对于Smith阻抗圆图和阻抗匹配的内容还是通过板书画图的形式呈现出来更恰当一些，因为这样一来，学生就可以跟着教师的步骤一步步学会阻抗的匹配计算。对于天线技术理论，可借助的图片和动画就更多了，可以用一个无线通信系统收发信号的动画来说明天线在其中的功能和作用，用动画展示天线辐射电磁波的机理，更可以用动画演示天线的基本电参数特性，比如天线极化的方式、三维立体方向图、天线波束下顷演示等，另外，还可以收集一些不同种类天线的图片展示给学生，充分调动起学生学习微波技术与天线的兴趣，使学生对所学的基本理论有个直观、形象的认识，有助于对书本理论的理解。这样既避免了教师在讲授基本原理基本理论时的枯燥乏味，又加深了学生对相关知识的理解程度，从而达到良好的教学效果。总之，应充分利用多媒体辅助教学的优势，采用板书和多媒体互补的授课方式。

3.3 使用相关的仿真软件

微波射频领域主要的仿真软件有Agilent公司的ADS（Advanced Design System）软件和Ansoft公司的HFSS、Designer软件以及Microwave Office等设计软件。在课堂教学中有必要将上述软件介绍给学生。

其中Ansoft HFSS是一个基于有限元法的交互软件包。它可以将几何结构自动剖分成大量的四面体。使用Ansoft HFSS可以计算：基本电磁场量E、H；开边界问题的辐射近远场；端口特性阻抗和传输常数；S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；一种结构的本征模或谐振解[4]。在天线理论教学中可以采用Ansoft HFSS仿真软件开展基于仿真平台的教学内容，让学生进行相关的仿真设计，通过仿真对称振子天线、微带天线等使学生学会仿真的基本步骤，通过分析仿真结果能清楚地区分E面和H面方向图，同时可以得到阻抗、增益、频率、插入损耗、带宽等参数，进而理解天线的辐射原理。

而Microwave Office是一个运行在Windows环境下的可视化微波电路设计和仿真软件，提供了一种图形化的输入方法，更方便进行传输线理论的研究。通过引入计算机仿真软件，不仅可以使学生更好地理解“微波技术与天线”课程的基本概念、基本原理，还能通过使用仿真软件掌握它的基本操作和设计步骤，同时使学生对微波与天线技术产生浓厚的兴趣，提高了学生学习的积极性，也提高了学习效率。因此课堂教学与实际应用相结合，既丰富了课堂的内容，也充分调动了教师的积极性和学生的学习热情，同时使学生学有所得。

3.4 教学内容和方法改革

“微波技术与天线”课程是一门理论性和工程性都较强的课程，所以在课程内容的安排上应以实际应用为主线，在教学内容上适当增加一些前沿的、热门的知识，教学过程中积极引导，努力改变理论教学的枯燥乏味，使其变得生动形象，增强学生学习的兴趣；其次在教学方法上不断改进，尝试进行网络教学改革，将网络教学与课堂教学有机地结合起来，利用网络教学来补充课堂教学。理论教学的同时积极申报更多的实验室项目，给学生创造更多的实践动手的机会。将科研成果引入到教学环节中，开拓学生的眼界，调动学生参与到实践锻炼的活动中。

4 结语

教学改革是一个长期不断探索、不断完善的过程。为了使相关课程的教学更好地服务于学生，应该在教学内容上不断调整，适当增加一些前沿的、热门的知识，在相关章节内容教授完之后引入工程设计软件，使学生对该课程产生浓厚的兴趣，进一步培养实际科研能力，提高学习效率，为今后毕业设计和从事微波技术和天线的科研工作打下良好的基础。

参考文献

[1] 刘学观，郭辉萍.微波技术与天线[M].2版.西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[2] 蒋铁珍，廖同庆.“微波技术与天线”教学：与工程应用相结合[J].教育与教学研究，2014，28（6）：78-81.

[3] 曹祥玉，高军.微波技术与天线[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.

[4] 袁海军，卢晶琦，马云辉.在“微波技术与天线”课堂教学中引入工程软件[J].科技资讯，2008（25）：160.

[5] 李素萍，吴伟.“微波技术与天线”课程教学改革探讨[J].中国电力教育，2011（8）：108-109.