波导的图形化教学研究
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摘要：文章通过对电磁课程中波导的教学和思考，以图形化辅助教学模式进行实践，培养学生“场路结合，化场为路”的科学思维方法。为了解决对波导概念内涵和外延的准确把握，利用电磁仿真软件HFSS中强大的电性能分析能力和后处理功能来辅助教学，使教学内容更为整体、直观，提高学生的学习效率，取得较好的教学效果。
关键词：波导；HFSS；参数
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）28-0151-02
一、引言
无线频谱也就是无线电波或电磁波的频率，微波和光波在其中占有极其重要的地位。微波与光波的传输辐射接收技术在现代通信系统中占据举足轻重的地位。通信类学生需要建立系统的完整的相关知识体系，而现代教育理念对本科学历教育的要求是“厚基础，宽口径”，专业课程的设置受到学时数的限制。我校对相关课程进行改革和创新，将传统意义上的“微波技术基础”、“天线与电波传播”、“光通信基础”3门课程涉及的主要知识点进行整合，开设出核心必修专业课程“电波与光波传输技术”。该课程从物理层传输信道的角度系统完整地介绍电波与光波信道的传输规律。通过该课程学习，着力培养学生综合运用所学知识解决微波与光波传输问题的能力，提高学生的专业素养和创新精神。
二、教学目标
“电波与光波传输技术”课程内容多，概念抽象，公式烦琐，理解难，课程实施应突出对基本概念内涵及外延的准确把握，以提高学生的综合素质和创新能力为目标，用生动有效的形式开展教学。我们从微波传输线和光纤的基本传输理论和传输特性入手，基于“场路结合”的高频分析方法，分析天线辐射与接收电磁波的基本机理，掌握无线、卫星、移动通信中常用天线的电性能，了解电波传播的基本概念以及无线、卫星、移动通信方式的电波传播规律。金属波导和微带线是微波电路中最常用的传输线，在微波电路中发挥着重要的作用。通过对这部分内容的学习，使学生了解微波传输线的基本概念和传播特性，理解其在微波电路中的重要作用，培养学员抽象思维能力以及对知识的综合、分析能力，应用“纵向场”分析方法熟练分析并解决较简单规则的电磁场问题，提高知识的综合应用能力。通過了解均匀介质波导和均匀光纤的基本传输原理和传播特性，学生学会应用已有的几何光学和电磁场理论知识解决光波导中光传输问题的一般方法。
三、教学实践
本文结合电磁仿真软件HFSS进行图形化教学研究，以微波传输线中金属矩形波导为例，将仿真工具融入理论教学、实验教学中，加强学生对金属波导理论知识的理解以及综合运用理论知识的能力。在教学中，相对于抽象的概念和烦琐的公式，我们利用电磁仿真软件HFSS中强大的电性能分析能力和后处理功能，来分析、计算并显示如下参数：S参数矩阵、电压驻波比、端口阻抗、传播常数、电磁场分布和电流分布、天线辐射方向图和各种天线参数等。教师引导学生根据需要创建设计模型，分配模型的边界条件和激励，定义求解设置，输出设计结果。这样，既能现学现用，又能理解内涵。
我们以一个带有隔片的T形波导为例进行说明。其中端口1是信号输入端口，端口2和3是信号输出端口。正对端口1的波导壁向内凹进去，相当于在此处放置了一个金属隔片。可以通过调节隔片的位置来改变从端口1传输到端口2和3的信号能量大小，以及反射回端口1的信号能量大小。我们假设隔片位于T形波导的正中央，在8-10GHz的工作频段内，波导3个端口的S参数随频率变化关系，并分析查看在10GHz时波导表面的电场分布以及优化分析。具体操作如下：
（一）创建T形波导
T形波导可以分解为3个矩形波导叠加而成，通过对第一个矩形波导的创建和设置，进一步体会矩形波导的属性。其属性包括位置、尺寸、名称、材料和透明度等，学生可以在对话框设置或修改。在创建好的矩形波导中设置波端口激励，并将同样的三个模型合并成一个整体，添加小隔片构成完整的T形波导模型。
（二）分析求解设置
添加频扫设置，在8-10GHz的工作频段内，步长为0.01GHz，通过检验设计的完整性和正确性，运行仿真设计。使用HFSS后处理模块，查看各类分析计算结果，这里我们主要查看S参数的扫频结果和表面电场分布。
选择T形波导模型的上表面，显示出电场分布情况，还可以进行场分布的动态演示，学生形象地观察场的动态变化，同时还能控制动态显示的进程，包括开始、停止和演示速度等。
（三）优化分析设置
当隔片位置向端口2移动时，端口2的输出功率逐渐减小，端口3的输出功率逐渐变大，通过分析发现当位置变量offset超过0.3英寸时，端口1的反射明显增大，而端口3的输出功率开始减小。当offset=0.1英寸时，端口3的输出功率近似为端口2输出功率的两倍。所以在优化设计时，可以设置变量offset的优化初始值为0.1英寸，最大值为0.3英寸，找到隔片的最佳位置，使得端口3的输出功率为端口2输出功率的两倍。
四、结语
本文以波导为例，将电磁仿真软件融入“电波与光波传输技术”课程教学过程中，并进行图形化辅助教学，推进了课程教学研究，取得了良好的教学效果。在教师的教和学生的学中，有助于提高学习兴趣，可以利用课外时间完成感兴趣的内容。实践证明，该方法不仅适用于波导学习，也适用于微带线、天线的分析。
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