霍佳璐

(重慶移通學(xué)院 公共大數(shù)據(jù)安全技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 401520)

0 引言

在新工科背景下,為提高學(xué)生的綜合能力,各大高校全方面整合資源,專研更多交互式教學(xué)范式,各類“線上+線下”交互學(xué)習(xí)方式層出不窮[1]。簡(jiǎn)單的“線上”講、“線下”做并無法滿足工科專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)要求,這一點(diǎn)在畢業(yè)生應(yīng)具備并應(yīng)實(shí)現(xiàn)的職業(yè)能力與成就上尤為突出[2]。

天線工程師這一職位是電子信息類專業(yè)本科生夢(mèng)寐以求的理想崗位之一,扎實(shí)的理論功底、精通電磁仿真軟件、熟練使用各類微波測(cè)試儀器是基本要求,具有一定天線設(shè)計(jì)能力和職商的人更受企業(yè)青睞?！半姶挪ㄅc電磁場(chǎng)”素來以內(nèi)容抽象、公式煩瑣、計(jì)算復(fù)雜號(hào)稱,并一度成為學(xué)生口中的“老大難”,也是教師眼中的“硬骨頭”[3]。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)儀器較為昂貴,操作難度高,測(cè)量環(huán)境要求苛刻,在本科階段開展存在較多不可控因素,這也成為諸多高校未能全面開展天線或微波類硬件實(shí)驗(yàn)的主要因素[4]。

天線綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)借助CST仿真軟件實(shí)現(xiàn)典型天線的設(shè)計(jì)與分析,將抽象難以理解的理論知識(shí)轉(zhuǎn)換成直觀且易于識(shí)別的1 D、2D、3 D視圖,從視覺上刺激學(xué)生神經(jīng),加深理論知識(shí)的立體認(rèn)識(shí),鞏固學(xué)習(xí)效果[5]。多次典型天線設(shè)計(jì)與分析的復(fù)現(xiàn),在提高學(xué)生理論認(rèn)知、數(shù)據(jù)分析比對(duì)能力的同時(shí),注重鍛煉其操作仿真能力,加深對(duì)CST類仿真軟件的熟悉度。天線綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)最后是團(tuán)隊(duì)協(xié)作創(chuàng)新型天線設(shè)計(jì)項(xiàng)目,采用合作學(xué)習(xí)形式,實(shí)現(xiàn)自主式探索創(chuàng)新設(shè)計(jì),擴(kuò)展學(xué)生思維,全面培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力,強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新意識(shí),磨煉團(tuán)隊(duì)協(xié)作技巧,達(dá)到技術(shù)、職商雙提升的效果。這正是在HOPE教育教學(xué)理念的外在體現(xiàn)。

本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)目標(biāo)較為詳盡地介紹了電磁仿真軟件在實(shí)驗(yàn)原理輔助理解、天線設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析等方面的應(yīng)用情況,并以半波偶極子天線、微帶天線的設(shè)計(jì)復(fù)現(xiàn)為案例。

1 天線綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

天線綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)通過多項(xiàng)典型天線設(shè)計(jì)的復(fù)現(xiàn),反復(fù)訓(xùn)練,使學(xué)生將天線設(shè)計(jì)的原理、CST仿真軟件操作的要點(diǎn)從頭腦記憶轉(zhuǎn)變成肌肉記憶。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用互聯(lián)網(wǎng)交互式教學(xué),利用當(dāng)下較火的騰訊會(huì)議、QQ課堂、釘釘?shù)戎辈テ脚_(tái)進(jìn)行講授與互動(dòng),并基于CST電磁仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)[6]。

天線綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)由5個(gè)階段組成,分別為CST電磁仿真軟件介紹、天線設(shè)計(jì)預(yù)備知識(shí)介紹、典型天線設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、綜合天線設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、項(xiàng)目路演及答辯。具體教學(xué)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 教學(xué)總體設(shè)計(jì)

天線設(shè)計(jì)預(yù)備知識(shí)涉及經(jīng)典電磁理論、天線設(shè)計(jì)理論兩方面,前者包含經(jīng)典麥克斯韋方程組的推導(dǎo)與解析、電磁波在介質(zhì)中的傳輸特性分析、傳輸線的特性分析、波導(dǎo)理論等基礎(chǔ)的原理性知識(shí),后者含有天線的輻射原理、天線的基本參數(shù)、波束掃描、天線陣等理論知識(shí)。

在經(jīng)典天線設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中,每個(gè)項(xiàng)目所涉及的重難點(diǎn)知識(shí)、工程要點(diǎn)均穿插到項(xiàng)目中講解,加深理論認(rèn)識(shí)。以微帶天線設(shè)計(jì)為例,理論內(nèi)容將以微帶天線設(shè)計(jì)的5項(xiàng)基本問題展開,即阻抗、相速、損耗、色散、功率,最終落腳到設(shè)計(jì),再利用微帶傳輸線設(shè)計(jì)天線。

綜合天線設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,學(xué)生自行組隊(duì),從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目庫中選題或自擬項(xiàng)目,利用所學(xué)知識(shí)創(chuàng)新設(shè)計(jì)天線,討論設(shè)計(jì)方向,制作方案雛形,利用CST仿真和數(shù)據(jù)分析,最終進(jìn)行項(xiàng)目路演及答辯。

2 微帶天線設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)

微帶天線的設(shè)計(jì)一般分為微帶分析與微帶綜合兩部分。微帶分析通過理論知識(shí)講解,同學(xué)們可建立基礎(chǔ)知識(shí)體系。微帶綜合問題的求解,需要在微帶諧振頻率、相對(duì)介電常數(shù)、高度的已知條件下求解微帶天線尺寸。本實(shí)驗(yàn)以矩形微帶天線設(shè)計(jì)為例,此處微帶天線的尺寸具體指矩形微帶天線的長度、寬度[7]。

矩形微帶天線的設(shè)計(jì)包括:矩形貼片設(shè)計(jì)、側(cè)饋式饋深度設(shè)計(jì)。

(1)矩形貼片設(shè)計(jì)。

矩形微帶天線矩形貼片的設(shè)計(jì)涉及以下4個(gè)參數(shù):輻射元的寬度W、定高介質(zhì)基片的有效介電常數(shù)εre、等效縫隙寬度ΔL、輻射元的物理長度L?，F(xiàn)省略推導(dǎo)過程,4個(gè)參數(shù)的應(yīng)用公式分別為:

(2)

(3)

(4)

(5)

上述公式中,c為光速;fr為介電材料的工作頻率;εr為介電材料的相對(duì)介電常數(shù);h為給定介質(zhì)層厚度。

(2)側(cè)饋式饋深度設(shè)計(jì)。

本實(shí)驗(yàn)矩形微帶天線采用標(biāo)準(zhǔn)微帶天線側(cè)饋方式,其饋深度設(shè)計(jì)利用以下4組公式完成,分別為:

(6)

(7)

(8)

(9)

公式(7)(8)分別用于計(jì)算不考慮、考慮縫隙互耦時(shí)情況的導(dǎo)納,結(jié)合公式(6)與公式(9)算出滿足50 Ω匹配特性的實(shí)際微帶天線插入深度值。

在參數(shù)確定后根據(jù)圖2完成建模。根據(jù)CST的天線設(shè)計(jì)流程對(duì)其進(jìn)行仿真,調(diào)整參數(shù),達(dá)到最優(yōu)水平。如圖3所示,優(yōu)化后的參數(shù)實(shí)現(xiàn)了天線的工作頻率為f=5.5 GHz的設(shè)計(jì)。圖4為在5.5 GHz頻點(diǎn)處天線的1 D增益方向,通過對(duì)圖4的直觀分析,提高學(xué)生分析能力、深化理論認(rèn)識(shí)。該優(yōu)化后的仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求,符合項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 矩形微帶天線設(shè)計(jì)(左：Top view 右：Side view)

圖3 參數(shù)優(yōu)化后的S-Parameters

圖4 在5.5 GHz頻點(diǎn)處天線的1D增益方向

學(xué)生通過6項(xiàng)典型基本天線的設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化已具有一定工程設(shè)計(jì)思路。學(xué)生可將遇到的設(shè)計(jì)問題及解決方案分享至在線學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行項(xiàng)目分享,與他人共勉。同時(shí),教師可將典型工程問題匯總以供學(xué)生借鑒學(xué)習(xí)[9]。綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí),學(xué)生以實(shí)際工程項(xiàng)目流程為線,組建團(tuán)隊(duì)協(xié)作設(shè)計(jì),并將設(shè)計(jì)思路、方案、仿真資料整理成冊(cè),最終以路演形式答辯演示,路演過程將制作成導(dǎo)學(xué)錄像,傳至教學(xué)平臺(tái)。對(duì)于創(chuàng)新型天線設(shè)計(jì),將包裝為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目用于孵化與落地。

3 結(jié)語

實(shí)踐教學(xué)表明,開展天線綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性,在深度、廣度、創(chuàng)新度上都有所提升。實(shí)驗(yàn)的實(shí)施步驟包括理論知識(shí)串燒、典型天線設(shè)計(jì)復(fù)現(xiàn)、自主探索創(chuàng)新設(shè)計(jì)、項(xiàng)目路演及答辯。實(shí)驗(yàn)循序漸進(jìn),由淺入深,由理論到實(shí)踐,通過協(xié)作、路演鍛煉學(xué)生有效溝通表達(dá)等職場(chǎng)必備技能,使學(xué)生全面立體理解理論知識(shí),激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)終身學(xué)習(xí)意識(shí),構(gòu)建科研思維。