“微波技术与天线”课程实验教学模式探索

刘双兵，余建立

（巢湖学院 机械与电子工程学院，安徽 合肥 238000）

“微波技术与天线”课程实验教学模式探索

刘双兵，余建立

（巢湖学院 机械与电子工程学院，安徽 合肥 238000）

为适应社会发展需要，培养应用创新型人才，文章针对“微波技术与天线”课程实验教学中验证性实验偏多、学生自主实验能力较差、实验内容缺乏应用性等现象，探索创新型实验教学模式。通过虚拟实验在线课程、微波测量实验、微波通信系统实训逐步培养学生的理论学习与应用、实践操作能力和应用创新能力，形成“理论—应用—创新”的实验教学模式，锻炼了学生的专业创新思维，体现高层次应用技术型人才培养目标。

微波技术与天线；实验教学；创新

“微波技术与天线”是巢湖学院电子信息工程和电子科学与技术专业的专业基础课程，兼具理论性和应用性。该课程包括微波技术、天线与电波传播和微波应用系统3个部分[1]，内容涵盖电磁场理论、路技术、微波网络基础和微波元器件等，具有较强的理论性和实践性，实际应用十分广泛[2]。课程教学内容具有基本概念抽象、分析方法灵活多样、公式推导复杂等特点[3]。“微波技术与天线”实验课程对学生掌握基本理论、知识和技能，培养学生应用与创新能力等方面发挥了重要作用[4]。

传统的微波技术测量实验教学偏重理论知识的验证与应用、实践操作能力的训练，实验教学基于矩形波导传输线对频率、波导波长、负载阻抗、定向耦合器性能等基本参数的测量与分析计算。对于验证性实验项目，可以帮助学生掌握微波信号源、选频放大器、功率计等微波测量仪器的使用，同时更好地理解微波技术相关理论知识，如通过波导波长的测量，使学生了解到矩形波导内传输主模TE10的波导波长不仅与自由空间波长有关，且与矩形波长宽边长度有关。但由于微波技术测量实验局限于矩形波导传输线，不利于学生对应用更广泛的微带线、带状线等开放式传输线的理解和应用。

为了培养学生的知识应用能力，提高学生的专业创新能力，有必要对实验课程的教学内容、教学方法和考核机制进行改革，加大创新性实验项目设置[5]。在现有“微波技术与天线”实验设备基础上，尝试了“理论—应用—创新”的实验教学探索，力求通过专业课程实验教学，锻炼学生的专业创新思维，培养出高层次应用技术型人才。

1 注重理论与应用，开发虚拟实验在线课程

“微波技术与天线”虚拟实验是对传统实验教学的有益补充，使抽象的微波技术理论知识形象化，提高了学生的学习兴趣和应用能力。将虚拟实验与当前不断发展壮大的在线课程相结合，为学生提供随时随地开展学习和实验操作的良好平台，极大地提高学生的学习效率，同时方便授课教师及时地掌握学生的学习动态和知识掌握情况。

通过课程组教师的共同探讨，逐步形成了“微波技术与天线”虚拟实验的结构框架，每个实验模块针对课程抽象的理论知识进行波形演示、综合应用以及分析计算，实验操作简洁明了，知识应用具体生动。虚拟实验模块详情如下。

（1）传输线方程解的虚拟实验模块，该模块中学生可以设置传输线的工作参数，如无耗或有耗、传输线特性阻抗等，通过改变终端负载阻抗，观测传输线上电压或电流的入射波、反射波以及合成波的波形。该实验模块演示了传输线方程解的组成部分，在有耗和无耗条件下传输线上电压或电流的特点，当终端接不同负载阻抗时传输线上将产生行波、驻波和行驻波状态，有助于学生对传输线方程解的理解和掌握。

（2）传输线辅助分析虚拟实验模块包含6个子模块，分别对应传输线工作状态参量输入阻抗、反射系数和电压驻波比之间的相互转换、已知终端负载求任意位置处的输入阻抗、已知电压波腹点或波节点位置求终端负载阻抗及其逆问题求解、λ/4阻抗匹配问题求解以及并联支节阻抗调配问题的分析计算。本实验模块涉及微波技术理论部分的分析计算，使学生深刻理解传输线工作状态参量之间的换算关系、阻抗匹配的方法及其不同特征。

（3）阻抗匹配波形演示虚拟实验模块，通过学生选取不同的阻抗匹配方法，并输入相关参数，观察各段传输线上的电压或电流波形，让学生了解到只有满足阻抗匹配条件下，主传输线上才能产生行波状态，并使学生深刻理解采用反射抵消反射的阻抗匹配思想，开发学生的应用创新思维能力。

（4）矩形波导场分布虚拟实验模块，学生通过设置矩形波导的几何长度、电磁波频率和内部填充介质的介电常数，了解电场、磁场和电流在矩形波导内的场分布，学习并掌握矩形波导传输线内的电磁波分布规律，为后续设计波导缝隙天线提供必要的理论基础。

（5）基本辐射单元方向图实验模块，演示了电偶机子、磁偶极子、基本缝隙、惠更斯面元等构成的实际天线基本单元在空间产生的辐射场，包括立体方向图、E面方向图和H面方向图，使学生对天线相关的基本概念和电参数有形象认识和掌握。

（6）对称振子方向图实验模块，使学生形象了解对称振子的远区空间辐射场的具体情况，对称振子的方向性函数与振子的臂长有关，是振子臂电气长度的函数。振子臂长较短时，波瓣较宽，方向性较差；随着臂长增加，方向性逐渐改善；但是臂长超过半个波长时，会出现一些边波瓣，甚至会使主波瓣发生分裂。使学生明白对称振子的臂长在1/4波长附近时，没有边波瓣，主波瓣随臂长的变化也不显著，半波对称振子在天线中得到普遍应用。

对“微波技术与天线”虚拟实验项目，要求学生在课外时间用学号登录在线课程平台，并自主完成各个实验项目，提交最终实验结果和实验心得体会。授课教师通过在线课程平台审阅学生实验报告并加以评分，虚拟实验最终成绩合成为期末成绩的20%进行考核。实践证明，“微波技术与天线”虚拟实验促进了学生理解和掌握抽象的理论知识，提高了学生的基本知识应用和实践能力，培养了学生一定的创新思维能力。

2 重视实践能力训练 开设微波测量实验课程

“微波技术与天线”虚拟实验在理论学习和知识应用方面发挥了重要作用，但是并不能替代硬件系统构成的微波测量实验，后者对学生锻炼基本测量仪器使用、实践操作能力培养等方面的效果更加明显，因此，开展微波测量实验教学具有同等重要的作用。实验项目包括频率测量、波导波长测量、阻抗测量、微波功率与衰减测量、阻抗调配和定向耦合器的性能测量等，实验目的是应用微波技术的理论知识，理解微波测量系统的工作原理，掌握微波信号源、晶体检波器、选频放大器等基本测量仪器的使用，探索矩形波导主模传输情况下内部电场沿轴线的分布规律，提高专业实验基本操作和数据分析与处理等能力。

巢湖学院微波测量实验可开展6个实验项目，其中综合性与应用性较强的阻抗测量和阻抗调配作为必做实验项目，余下4个实验项目中任选2个，每个学生必须完成4个微波测量实验，计8学时。对于必选实验项目，要求学生对实验数据进行理论分析计算和Smith圆图图解处理，可对应于“微波技术与天线”虚拟实验中的传输线辅助分析和阻抗匹配实验项目加以扩展，同时应用Smith V2.0软件进行数据处理，此举加深了学生对传输线理论的理解，增强了学生微波工程基本工具的应用技能技巧。每个实验项目完成后，学生提交完整的实验报告，授课教师及时审阅和评分，微波测量实验最终成绩合成为期末成绩的30%进行考核。

3 提升应用创新能力，开展微波通信系统实训

课程实验教学目标不仅让学生掌握理论验证、知识应用、动手能力和实践技能，更要注重学生创新意识、创新思维和创新能力的激发与培养。在“微波技术与天线”虚拟实验和微波测量实验基础上，综合微波技术、无线通信、射频电路、天线技术等课程体系，构建微波TV收发机通信系统创新实训平台，开展微波通信系统实训教学。微波通信系统组成框如图1所示。

图1 微波通信系统组成框

微波通信系统按照图1连接测试系统，其中微波发信机包括调制器、上变频器、本振、射频滤波器和射频放大器等模块，微波收信机由低噪声放大器、下变频器、本振、中频滤波器、中频放大器、解调器等模块组成。微波通信系统实训教学分为两个阶段，即微波通信系统各个模块的测试阶段和综合设计阶段。

3.1 微波通信系统模块测试

为促进学生对微波技术、通信原理、天线理论等专业理论知识的应用，微波通信系统实训要求学生使用微波信号发生器、频谱分析仪、矢量网络分析仪、频率计等测试仪器对微波通信系统中单个功能模块进行测量，了解各个器件的工作原理和特性，掌握器件的技术指标测量方法，深刻理解微波通信系统各组成模块的功能。

微波通信系统功能模块测试实训可开设13个实训项目，实训模块如图2所示，其中前3个实训项目作为必选，要求掌握基本测试仪器的使用，余下的10个实训项目中任选一个，即要求学生根据自己的学习兴趣自主选择某个器件进行测试和分析，掌握该器件的概念、原理、特性参数和功能，为下一阶段的综合设计奠定基础。每个实训项目完成后，学生提交完整的实训报告，本阶段最终成绩合成为期末成绩的30%进行考核。

图2 微波通信系统实训项目

3.2 微波通信系统模块综合设计

为提高学生的知识应用水平，培养学生专业创新能力，在微波通信系统模块测试基础上，开展微波电路与器件的综合设计教学。要求学生结合自选的微波通信系统模块测试实训心得体会，借助频谱分析仪等仪器测试对拟设计微波器件的输入、输出信号频谱，明确电路功能和设计目标，并进行文献调研，确定设计方案。

为保障学生综合设计的顺利进行，一方面以分组形式开展，即拟设计电路相同的学生可以由3～4人组成一个实训团队，任务分解、方案讨论、共同完成；另一方面授课教师在学生实施设计过程中及时提供必要的理论指导，同时巢湖学院的“微波技术与天线”应用型课程开发与建设项目为学生的电路加工制作提供了经费保障。学生通过微波通信系统信号测试、电路设计理论分析、ADS或HFSS专业软件仿真分析和优化、实物制作、实验测试等过程完成整个微波电路的设计，撰写电路设计实训报告。该报告成绩合成为期末成绩的20%进行考核。

实践表明，微波通信系统综合设计实训培养了学生发现问题、解决问题、理论与实践相结合、创新思维等诸多方面的能力和团队合作精神，调动了学生的学习积极性和主动性，提升了学生综合运用知识解决实际问题和创新探索的能力。在该课程基础上，学生以“环境无线能量收集系统设计与实现”为选题成功申报巢湖学院皖维科技创新孵化基金项目1项，以“DGS微带滤波器设计”“CPW低通滤波器设计”“微带滤波天线设计”等选题完成毕业设计多篇，体现了学生的专业创新意识和创新能力得到了一定提高。

4 结语

为适应社会对专业人才的需求，符合巢湖学院应用型本科高校的定位，探索了“微波技术与天线”课程的实验教学改革，阐述了课程实验教学内容、教学方法和考核方式，提出了“理论—应用—创新”的实验教学模式。通过虚拟实验在线课程促进学生掌握课程理论知识，通过微波测量实验锻炼了学生的知识应用和实践操作技能，通过微波通信系统实训培养了学生专业创新思维和能力，对“微波技术与天线”课程创新型实验教学开展了有益探索。

[1] 刘学观.微波技术与天线[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.

[2] 傅文斌.微波技术与天线[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3] 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（6）：78-80.

[4] 赵同刚，赵安新，陈迅.电磁场与微波技术实验教学改革和探索[J].北京邮电大学学报（社会科学版），2015（3）：101-105.

[5] 郭庆，海莺，赵中华，等.基于创新实践能力培养的实验教学考核模式改革探索[J].实验室研究与探索，2017（7）：175-177.

Exploration of experimental teaching mode of“Microwave Technology and Antenna” course

Liu Shuangbing, Yu Jianli
（Mechanical and Electric Engineering Department of Chaohu College, Hefei 238000, China）

In order to meet the needs of social development and cultivate practical and innovative talents, this paper aiming at the phenomenon in experimental teaching of “Microwave Technology and Antenna” course, such as overmuch con fi rmatory experiments,poor autonomous experimental ability and lack of applicability, explores the innovation experimental teaching mode. The abilities of theoretical learning and application, practical operation and applied innovation are gradually cultivated by virtual experiment online course, microwave measurement experiment and microwave communication system training. The experiment teaching mode of “theory,application, innovation” is formed for exercising the professional innovative thinking, aiming at cultivating high level application of technical talents.

microwave technology and antenna; experimental teaching; innovation

安徽省高校优秀青年人才支持计划重点项目；项目编号：gxyqZD2016291。巢湖学院质量工程项目；项目编号：ch15yykc06。巢湖学院课程教改一般项目；项目编号：ch16kcjgxm14。

刘双兵（1982— ），男，安徽宿松人，实验师，硕士；研究方向：“微波技术与天线”的教学以及新型天线。