ADS软件在电磁场与微波技术教学中的应用

文/张恩浩

微波技术与电磁场课程具有抽象性概念、理论性强的特点，对学生的逻辑思维能力有着较高的要求，学生在学习中需要牢固掌握高等数学与物理知识，对学生的学习造成了一定的难度，不利于提升课堂效果。想要改变现有情况，需要合理运用现代科技，弥补传统教学中存在的不足，使抽象的物理知识转变更加直观，书面的理论知识转变的更加形象化，激发学生的学习动力，不断提升学生的创造力与学习能力。

1 ADS软件及技术应用

1.1 ADS软件

ADS（Advanced Design System）软件，是目前世界上各研究机构和高校运用最多的射频微波电路和通信系统仿真软件。因为软件的功能齐全，仿真方式多样等，应用越来越广泛。我国主要应用ADS做射频和微波电路的设计，MMΙC和RFΙC的设计，通信系统的设计等。一般来说微波电路系统版图包括电磁场仿真工具Momentum，同时还能够实现版图与原理图自动同步，可以最大限度的提升设计精度。ADS的设计不仅仅能够完成从集总参数到分布参数；从低 频到高频，也能够实现从线性 到非线性，从电路到电磁场。个别研究机构也用ADS做单个器件到整机等全方位的设计。

1.2 ADS软件技术应用

通常来讲，计算机辅助设计过程拥有3个基本过程：

（1）设计电路的数学模型；

（2）建立仿真模型，同时对模型进行仿真设计计算；

（3）设计之后的最优化分析。利用ADS软件辅助设计过程的主要包括两个方面。第一个方面是组织方式。

首先，是由教师以理论方式讲解教学内容，使学生理论性的认识所学内容，之后采取ADS软件展开仿真分析，引导学生对分析结果进行对比。优势在于对系统性与连贯性的理论知识不影响，其次，是将理论知识的讲解与使用仿真软件辅助同步进行。应采取ADS软件，展开仿真分析，使学生更充分的了解知识点。优势在于能够提升ADS软件分析的时效性，使学生能够在短时内掌握知识内容。另一方面是操作方式。在利用ADS软件时，一般情况下，教师需要借助多媒体播放系统，通过操作计算机，在教室主显示屏中展示ADS软件操作过程，引导学生观察仿真分析过程与分析结果。

1.3 ADS软件技术运用中的注意事项

微波技术与电磁场课程，对学生的逻辑思维能力有着较高的要求，学生在学习中需要牢固掌握对学生的学习造成了一定的难度，因此要了解ADS软件技术运用中注意事项，更好的辅助于学习。

（1）明确ADS软件的直观分析优势。充分理解理论知识、仿真分析结果以及仿真模型之间的联系性。

（2）对比ADS软件仿真分析的可行性。应充分发挥出数字化的ADS软件特点，将不同参数输入到仿真过程中，所形成的仿真计算结果图应具有一定区别。与实验设备相比，ADS软件具有环境要求低、成本低的特点。

（3）要注意分析细节。主要包括分析与探究定量计算、定性分析以及计算结果等。

2 微波网络理论仿真辅助教学实例

微波技术与电磁场课程的教学实例是以微波网络理论教学为主，基于此在仿真设计中引入滤波器，由教师展示微带双模带通滤波器是利用电磁仿真ADS软件进行分析与仿真设计的，使抽象的理论转变的更加形象具体化，学生也就能更加清楚的理解微波网络理论知识。与此同时，应使学生初步了解ADS仿真软件，建立电磁场与微波技术理念，以便于在工程设计与分析的学习中将ADS仿真软件做到学已利用，有效结合工程与理论，不断提升学生的研究能力与应用能力。

2.1 明确微波元件分析方法

微波系统中重要的组成部分包括微波原件，可以依据端口数目，将微波元件划分为多端口、单端口以及双端口。分析微波元件的方法主要包括两种。

（1）是基于边界条件与麦克斯韦方程组，对元件内部场分布情况进行分析。开展第一种方法的前提是明确电磁场理论，该方法相对严格，但在实际工程中，可以用该方法对复杂的微波元件进行分析，完整求解电磁场方程与其存在的困难。

（2）微波网络是微波原件等效，在描述微波元件特性时，可以采取微波网络参量进行描述，被称为网络分析法。开展该方法主要是对微波网络各端口的问题进行研究，从而获取微波元件的特性，该方法虽然无法明确微波原件内部分布电磁场的情况，但不必进行大工程的数学计算。除此之外，想要了解微波网络各个端口的参量，可以采用矢量网络分析仪进行直接测量，该方法被广泛应用于工程实际中。

2.2 表述双端口微波网络理论

在微波系统中，双端口元件应用十分广泛，比如转换相移器、滤波器、连接原件以及同轴波导等。在微波频段很难测量电压与电流，应引入波变量，明确波变量与端口电压电流之间的联系性。

2.3 表述双端口微波网络参量

参考面上双端口网络的电压和电流之间的关系，描述方式可以选择采用导纳参量与阻抗参量，反射波与入射波在参考面上的关系，描述方式可以选择散射参量，可以相互转换各个参量。在微波系统中，可以通过矢量网络分析仪测量散射参量，因此，双端口网络的散射矩阵被广泛应用于实际工程中。

3 在电磁场与微波技术教学中应用ADS软件展开实践

3.1 引导学生对滤波器特点进行细致观察

在电磁场与微波技术教学中，可以采用微带双模带通滤波器结构，增强演示效果，可以引导学生对滤波器特点进行细致观察，并对比说明双端口网络参数示意图，使学生更加深化了解双端口元件知识点，形象地意识到由环形结构的馈线结构和谐振器组合而成双模带通滤波器，λg/4为环形谐振器的边长，微扰结构为谐振器右上角的正方形贴片，控制两个模位置是微扰结构的主要作用。

3.2 辅助学生对仿真结果展开分析

在日常教学中，所选用的介电常数是相对应，介电常数εT=9.6，h=0.8mm是介质基片材料的介质板厚度，2.1GHz是双模带通滤波器所设定的工作频率，想要获得s参数，可以借助ADS 仿真软件进行仿真计算。可以引导学生分析仿真结果，使学生更加深化地认识双端口微波网络参量知识，通过日常教学以及结果界面的图形化情况，使学生明确ADS软件仿真结果。在电磁场与微波技术教学中，可以通过改变微扰结构尺寸，使学生对S参数改变情况进行参观，更加直观的认识S参数。

3.3 借助仿真软件辅助学生提升学习效果

开设电磁场与微波技术课程，教学条件应能够开展仿真软件教学，在教学中要求学生具备良好的独立学习研究能力。开展ADS仿真软件，辅助电磁场与微波技术教学后，在课堂中，学生对使用仿真软件产生了学习兴趣，能够更好与学生展开互动，明显提升了学生的积极性。相关数据显示，90%以上的学生认为与板书、PPT公式推导教学相比，ADS仿真软件辅助教学更加生动形象，也有一部分学生认为仿真软件结合了理论与实践，起到了良好的积极作用。运用ADS仿真软件辅助电磁场与微波技术教学，可以使学生初步掌握仿真软件设计，在教学微带带通滤波器课题时，可以利用仿真软件，优化参数与设计创新，有效提升设计效率。结合ADS仿真软件与硬件实验，有利于增强学生设计硬件的自信心。

4 结语

综上所述，是对ADS软件在电磁场与微波技术教学中的应用实践进行分析探究。在电磁场与微波技术课程中应用ADS软件，不仅可以使学生更加深刻的了解课本理论知识，增强课堂教学效果，也可以使学生对微波仿真软件的基本用法有所了解，不断增强学生的实践能力，为之后的工程学习奠定坚实基础。