ADS软件在电磁场与微波技术教学中的应用

孙翠珍

[摘 要] 针对“电磁场与微波技术”课程理论性强、概念抽象、教学难等特点，在教学过程中引入了电磁场微波类的辅助教学工具ADS软件。可以较大程度地提高学生学习微波射频电路的兴趣，从而达到改善教学效果，提高教学质量的目的。

[关 键 词] 电磁场与微波技术教学；ADS软件；微波射频电路；教学效果

[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）03-0100-02

随着信息时代的发展，作为信息主要载体发展方向的高频电磁波——微波，不仅在卫星通信、计算机通信、移动通信、雷达等高科技领域得到了广泛的应用，而且已经深入人们的日常生活中。

而现有的传统教学课时较少，相应实验条件缺乏，造成了学生很难获得直观印象和动手实验的机会，为了改善教学效果，提高学生的学习兴趣，培养其实践创新能力，有必要将仿真设计软件引入该课程的教学过程中。

一、教学中遇到的问题

（一）老师不好教

1.电磁场理论基础

电磁场理论的数学基础部分是矢量分析与场论，主要讲授矢量的散度、旋度和标量的梯度等概念及运算，为后面场的分析与运算打基础。

由于理论教学课时限制，同时考虑到学生在“大学物理”中已经有电磁学的基础，电磁场与电磁波课程主要是在介绍电磁场中的基本场矢量、积分形式的麦克斯韦方程组的基础上，结合矢量分析重点阐述微分形式麦克斯韦方程组的各种场之间的共性和个性。可以看出，该课程对数学、物理、工程数学等不同课程体系的知识都有所要求，所以对任课老师的知识面和教学方法有着很高的要求。

2.微波技术基础

微波技术课程是相关后续课程“天线与电波传播、卫星通信、雷达系统”等专业課程的基础。讲授的内容主要包括传输线的分布参数、传输线的工作状态、圆图及其应用、阻抗匹配、矩形波导、微带线、微波网络和微波元件等内容。

（二）学生不好学

传统的电磁场与微波技术系列课程存在两大缺陷：单独的课程罗列，没有体现课程之间的内在联系；课程内容的设计没有体现工程意识，学生独立完成的内容少。

电磁场与微波技术课程传统的教学方法是以事实性知识传授为教学目标，即课程内容是介绍“是什么”“为什么”，而缺乏“怎么做”“怎么用”，过分强调理论，而缺乏对知识的实际应用。另外，由于该系列课程的基础课程“矢量分析”“高等数学”“大学物理”等课程的任课老师不是专业课老师，没有进行通信类专业知识的系统学习，因此在教学过程中必然缺乏对知识的实际应用，没有针对性地对不同专业的学生在上课内容上有所侧重，也是学生在具体学习过程中感到学习内容空洞抽象、难度大的一个原因。

二、改革方法——将ADS软件引入教学

现有的改革方法包括将理论教学与日常生活联系起来；将教学过程与科研紧密结合；通过制作生动形象的多媒体课件；采用“对比教学法”，将分析方法相似或分析问题相近的内容进行对比式教学，使学生加深对以往学习内容和新学习内容的区别与联系的理解等方法。

三、ADS软件仿真实例

ADS仿真软件集合了多种EDA软件的优点，可进行频域、时域仿真，线性、非线性电路仿真，数字电路、模拟电路仿真。其强大的仿真功能和较高的准确性，已经得到业界的普遍认可，成为业界最为流行的射频EDA软件。把它应用到电磁场与微波技术教学中可将抽象的电磁场可视化，这样可以减少繁琐的数学推导运算，把师生从繁琐重复的低级劳动中解放出来，进而用更多的时间来理解抽象的概念。从理论模型的数学建模、虚拟仿真，再到模型参数修正等一整套过程，还可以培养学生分析问题、解决问题的科研能力。

下面以微波滤波器为例来阐述ADS软件在射频微波电路中的应用及特点。

（一）仿真目标

微波滤波器的设计要求：带内衰减小于2dB；通带3-3.1GHz；端口反射系数小于-20dB；2.8GHz以下，3.3GHz以上衰减大于40dB。要求利用ADS软件根据设计指标计算出所需要的微波传输线的尺寸。

（二）具体过程

在进行微波滤波器的设计时，主要是以滤波器的散射参数S作为优化目标进行优化仿真的。

首先利用ADS软件实现滤波器仿真，再利用S参数仿真控制器来仿真S曲线。下图是完整的滤波器仿真原理图。

完整的滤波器仿真原理图

四、结束语

利用ADS软件所设计优化的微带滤波器尺寸计算准确，且随着设计参数要求可以实时改变。另外，各种类型的微波滤波器都可以实现。因此，可以在微波与射频电路的相关教学中引入计算机辅助软件——ADS软件，可以克服由于微波波段的实验设备价格昂贵而对实验内容发展造成的影响，把抽象的、理论性强的各种微波电路的设计，通过屏幕直接在课堂中展示给学生，提高学生的学习兴趣，从而加强学生对电磁场与微波技术相关概念和相关电路的掌握，最终达到改善教学效果的目的。

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