电磁仿真软件在《天线与电波传播》课程中的应用实践

    任仪+尹波+周建梅

    【摘 要】 《天线与电波传播》是电子科学与技术类专业学习中较难掌握的一门课程，具有理论抽象、实践性强等特点，学生学习过程中往往兴趣不高，无法正确认识该课程在无线系统中的作用。为改善这一问题，笔者在《天线与电波传播》的教学过程中，结合电磁仿真软件的分析应用，对课程中所涉及的主要天线性能与参数进行了分析与讲解，激发学生的学习兴趣，加深了学生对一些概念和公式的理解，提高了教学质量。

    【关键词】 电磁仿真；天线与电波传播；教学质量

    【中图分类号】 G64.28 【文献标识码】 A 【文章编号】 2095-3089（2017）17-00-01

    天线是现代无线通信设备的关键器件之一，广泛应用于航空航天、卫星、导航、遥感、汽车电子等领域。鉴于天线的重要性，目前多数高校针对电子科学与技术及相关专业都开设了《天线与电波传播》课程，介绍有关天线设计和天线性能的基本理论以及电波传播的基本知识。天线理论课程的教学，不仅可以帮助学生加深对电磁场和电磁波的理解，还可使学生在该理论的指导下进行简单天线和传输系统的设计，有助于后续微波电路、通信等课程的良好开展。然而，笔者在教学实践中发现，该课程内容广泛、概念抽象、公式繁琐，应用的矢量分析、特殊函数与数理方程等工程计算非常复杂，传统教学方法不易理解和掌握，给教学带来了较大的困难。

    为了改善《天線与电波传播》课程的教学现状，本文提出在该课程的教学过程中针对天线工程和辐射分析领域的一些典型问题，应用电磁仿真软件Feko分析和验证其辐射特性和基本定理，如输入阻抗、方向图、方向图乘积原理等。利用软件提供的直观形象（如电力线和磁力线分布矢量图、等位线云图等），加深学生对天线理论及其应用的理解，培养其解决实际工程问题的能力，提高教学效果。

    1.天线课程教学现状

    《天线与电波传播》是一门工程实践性很强的理论基础课程，其先修课程为《电磁场与波》和《微波技术》，需要学生有较好的电磁场基础，并掌握电磁辐射和传统线理论等知识点。然而，该先修课程均为电子信息类专业公认的难学课程，使得通常学生难以全面深入地掌握天线课程所需前期理论基础，造成学生学习天线理论较为吃力。此外，天线理论课程中同样存在大量的公式推导，并需要大量应用特殊函数和数学物理方法，偏重于单一的理论讲解，使得课程授课形式枯燥乏味，难以引起学生的兴趣。同时，天线课程的理论授课方式与天线的工程应用属性脱节，容易造成学生对其工程应用方式和工程重要性的困惑，进一步降低了学生的学习积极性。因此，现有的教学方法普遍教学效果不理想，有必要研究在不减少理论知识的情况下，加强形象化、工程化的应用知识引导，激发学生的学习兴趣和主观能动性，提高教学效果。

    2.基于电磁仿真软件的天线理论教学

    综上所述，天线课程的理论概念多、公式繁琐是造成学生学习困难的主要因素。为避免该问题，在常规理论教学的同时，笔者通过增加电磁场仿真分析的实践环节，通过电磁商业仿真软件Feko对典型天线及电磁辐射问题进行分析，在理论讲解的同时配合可视化和操作性更强的仿真建模和数据后处理，即提高了授课的趣味性，又加强了学生对天线与电磁空间和时间特性与概念的理解。同时，通过让学生亲自参与尝试建模和仿真，使得学生表现出浓厚的学习兴趣和强烈的求知欲。

    3.教学实例

    在具体的教学实践中，需要先确定在理论授课过程中较抽象的知识点，同时提前通知学生熟练Feko的基本仿真方法。例如，对传统的天线理论讲授时，天线方向图的乘积原理通常较为抽象，理论教学中均以线天线为例说明方向图的乘积原理。但考虑到实际工程中线天线应用较少，且理论教学中的线天线描述过于理想，在该教学方法中，首先通过Feko软件建模普通的线天线单元，研究天线单元的方向特性，再根据教材中描述的方向图乘积原理，研究不同排列方式和幅相特征的线性阵的阵列方向图，从而使得方向图乘积原理的描述具体化形象化。此外，为使得该理论更接近于实际应用，在授课过程中还增加了喇叭天线阵列和微带天线阵列的仿真研究，分别分析其单元辐射特性与阵列辐射特性，总结方向图乘积原理，以及阵列布局所引入的互耦和有源驻波等因素，从而不仅使得理论讲解更直观，同时也扩充了课本知识，使得所授内容更充实和实用。

    笔者通过近4年的教学实践，在《天线与电波传播》的教学过程中采用电磁仿真软件分析和验证电磁辐射基本理论与典型天线和电波传播问题，以此为辅助教学方式不断引导学生理解和认识天线的基本概念和特性，加深对实际天线工程应用方式和重要性的认识，引导学生独立思考天线和电波传播的相关知识，深化学生对电磁辐射理论的理解。同时，通过结合软件仿真的方式，较好地激发了学生的学习兴趣，将单调抽象的被动式理论教学转换成软件辅助的主动式学习，使得部分优秀学生在该课程的学习后选择在天线与微波方向上继续进行深入的学习研究。此外，教学质量也由此得到了明显提升，每年平均成绩均有所提高。

    参考文献：

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    [3]雷文太.《天线与电波传播》课程的教改实践[J].教育教学论坛，2012（13）：24-26.

    [4]孟银阔.《天线与电波传播》课程的教学探索[J].科学大众：科学教育，2013（12）：151-151.