《微波技术与天线》课程实验的改革与探索

《微波技术与天线》课程实验的改革与探索

孙筱枫,赵远,杜国宏,牟翔永,曹俊友,李锡明

成都信息工程大学 电子工程学院  610225

摘要：本文以《微波技术与天线》课程实验中的《振子天线与微带天线综合设计实验》为例，介绍了针对目前课程实验所存在的不足所进行的实验改革。《振子天线与微带天线综合设计实验》采用预习、讲授、在线测试、讨论和实验等教学环节和手段，通过自主选择应用场景，引导学生自行设计一款WIFI天线的技术方案，通过专业软件仿真优化和实物加工测试验证方案。实验任务包括应用场景分析、实验方案制定、设计、仿真、加工、数据分析等。通过实验，使学生加深对天线部分理论知识的理解；提高学生研究分析工程上所需天线的能力；锻炼学生利用专业仿真软件对天线性能进行仿真优化的能力；使学生熟悉天线测试调试流程及方法。实验目的旨在培养学生复杂射频微波工程领域方案决策、分析比较、结论推断、经济成本控制、项目管理等意识和能力。

关键词：实验改革；微波技术与天线；新工科教学

《微波技术与天线》课程是高等工科院校通信与电子工程类专业的一门重要专业基础课程，承担着为我国军事、民用中的雷达、无线电通信、射电天文、航空航天、电子信息等领域培养射频微波高层次技术人才的使命。近年来，越来越多的教师对这门课程进行了教学改革[1]-[4]。本课程组也在对理论部分进行线上线下混合式教学改革[5]，同时也对课程实验进行了改革探索。《振子天线与微带天线综合设计实验》是《微波技术与天线》课程的必修实验之一，涉及内容为《微波技术与天线》中天线部分。下面以该实验为例，介绍本课程组在实验改革方面所做的探索研究。

一、实验意义

《振子天线与微带天线综合设计实验》包括的环节有：理论学习、方案确定、设计仿真和加工测试。通过本案例所设计的四个环节，使学生掌握解决射频微波工程问题所需的基础知识和专业知识；培养学生具有运用电磁场与电磁波的基本原理，研究分析射频微波领域复杂工程中的“场”问题的能力；培养学生具有设计针对复杂射频微波工程问题的解决方案和满足工程需求的部件的能力；培养学生具有基于科学原理并采用科学方法对射频微波工程问题进行研究，具有射频微波工程所需的设计实验、数据分析并得到有效结论的能力；培养学生解决射频微波复杂工程问题过程中，能选择和使用恰当的技术和现代工程工具，进行问题的预测和模拟的能力，并能够理解其在工程应用中的局限性；培养学生能够在团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色；培养学生了解射频微波工程中涉及到的成本要素。从而具有复杂射频微波工程领域方案决策、分析比较、结论推断、经济成本控制、项目管理等意识和能力。

二、实验拟要解决的问题

1)如何理论紧密联系实际工程应用。利用线上测试，实时掌握学生对知识点的掌握情况，并根据实际工程应用设计实验案例，巩固理论，提高学生学习兴趣。

2)如何提高学生研究分析复杂射频工程问题的能力。通过给定应用场景，要求学生从需求分析出发，自行设定指标，提高学生研究分析天线工程问题的能力。

3)如何提高学生利用现代专业工具解决射频工程的能力。通过增加专业软件设计仿真环节，对天线性能进行预估，通过改变参数，优化结果，提高利用现代专业工具解决工程问题的能力。

4)如何提高学生动手能力。通过自己制作、测试天线，熟悉专业测试仪器设备，了解天线测试流程和方法，锻炼学生动手能力。

5)如何提高学生分析数据并得到有效结论的能力。通过分析测试数据是否满足指标要求，是否满足应用场景，提高学生分析数据并能得到有效结论的能力。

6)起好对前后课程的承接作用。通过增加实验内容和实验环节，增加涉及知识点，拓展应用，使课程起好对前后课程的承接作用。

三、实验教学方法

本实验采用的教学方法包括预习、讲授、在线测试、讨论和实验等。

预习运用在理论学习和设计仿真环节。通过利用在线视频，对天线理论知识进行预习；同时也可以按照在线视频，根据学生自己的学习程度，学习如何利用专业软件对天线进行建模、仿真和优化。

讲授运用在理论学习、设计方案和加工测试环节。通过讲授理论部分知识，使学生掌握天线部分理论知识和所涉及的基础知识；通过讲授天线仿真示例，使学生熟悉专业仿真软件，掌握使用仿真软件设计优化天线的方法；通过讲授加工测试调试的方法，使学生熟悉天线工程上加工测试的流程和方法。

在线测试运用在理论学习环节。通过在线随堂测试，实时了解学生对理论知识的掌握情况，通过对错误率较高的题目的讲解，达到加深对理论知识的掌握的目的。

讨论运用在方案确定、设计仿真和加工测试环节。学生分组讨论，确定各组实验方案，并讨论仿真优化结果和测试结果是否满足指标要求，如果没有满足指标要求，可以用什么方法进行天线调试，使其满足指标要求。通过课堂讨论，可以加深学生对理论知识的掌握，提高学生研究分析天线工程的能力，熟悉利用专业软件对天线性能进行预估，熟悉天线工程的测试流程和方法。

实验运用在方案确定、设计仿真和加工测试环节。通过学生确定方案，自己动手利用专业软件仿真，自己动手制作天线，并测试、调试其性能，使学生通过实验，理论联系实际，达到理论知识和实际运用相统一；提高动手能力，熟悉利用专业软件对天线进行建模分析；熟悉利用实验仪器设备，测试天线各项参数测试方法和流程。

四、实验方案

随着网络技术的飞速发展和普及，无线网络也逐步发展起来，近年来，无线网络已经成为网络扩展的一种重要形式，人们对无线网络依赖的程度也越来越高。因此，国外很多发达国家城市里到处覆盖着由政府或大公司提供的WIFI信号供居民使用，我国也有许多地方实施“无线城市”工程使这项技术得到推广。因此，实验设计的目标为根据不同的应用场景，提出一款WIFI天线设计技术方案。

学生分组首先确定天线的应用场景，并根据应用场景，确定天线的工作指标及天线类型，利用所学的理论知识计算天线尺寸，并用专业软件进行仿真，加工制作天线后，对其性能进行测试。

方案1：应用场景为大型商场，由于应用于商场，为了减少人为活动对天线摆放位置的影响，因此，天线放置位置为天花板，采用吸顶方式。由此确定天线工作指标为工作频率2.4GHz，定向天线，极化方式为线极化。所以确定天线类型为微带贴片天线。

方案2：应用场景为一般家庭，由于一般家庭人口少，人为活动相对于商场也较少，天线放置位置较为随意，一般家庭为了减少成本，往往采买路由器套数也较少。由此确定天线工作指标为工作频率2.4GHz，全向天线以覆盖更广的范围，极化方式为线极化。所以确定天线类型为偶极子天线。

五、实施流程

本实验总共4个学时，其中课外2学时，课内2学时。

课外2学时用于学习对称振子天线和微带天线理论部分知识和仿真建模的方法。随后学生分组讨论确定天线指标和类型，并利用专业软件设计、仿真、优化天线，使其达到指标要求。

课内2学时主要用于实验。首先采用线上平台对理论知识进行测试，随后针对错误较多的题目进行讲解，有针对性地进一步强化重点、难点。之后介绍实验目的和内容，仪器使用方法，天线测试方法。然后要求学生根据仿真结构，制作、测试、调试天线；根据测试结果，判断所设计天线是否满足指标要求，是否满足应用场景。实验完成后，每组代表简单陈述设计方案，其他同学可以提出意见、建议。最后，教师点评设计方案和总结本次实验。

六、总结与讨论

本文以振子天线与微带天线综合设计实验为例，探讨本课程组对《微波技术与天线》课程实验的改革。通过本实验，加深了学生对天线部分理论知识和所涉及基础知识的掌握。提高了学生研究分析工程上所需天线的能力。学生熟悉了现代专业工具，并能利用专业仿真软件对天线性能进行预估。熟悉了天线测试调试流程及方法。了解了微波射频领域中天线工程的设计流程。锻炼了学生的动手能力，提高了学生对所学课程的学习兴趣，提升了专业认同感。

参考文献：

[1]姜霞,郑宏兴,王莉,张志伟.“新工科”背景下电磁场与微波类课程改革与实践[J].机电技术,2021(1):118-120.

[2]党方超,孙云飞,袁成卫.《微波技术与天线》课程教学策略探讨与研究[J].教育进展,2021,11(5):1675-1679.

[3]张厚,朱莉,王亚伟,高向军,杨亚飞.《微波技术与天线》课程教学模式改革的实践[J].创新教育研究,2022,10(4):769-772.

[4]张辉,李艳玲,占建伟,王蓓,苗倩,徐智霞.OBE教学理念下“微波技术与天线”课程教学改革与实践[J].创新教育研究,2022,10(8):1825-1830.

[5]孙筱枫，杜国宏，赵远.基于O-PIRTAS的《微波技术与天线》线上线下混合式课程建设[J],中外交流，2021,10:1234.

本文获以下项目支持:成都信息工程大学本科教学工程项目(JYJG2021070，JYJG2021038，JYJG2022008，JYJG2023032，JYJG2023028)，四川省一流本科课程建设项目：2023YLKC38