天线设计毕业论文概要

第一篇：天线设计毕业论文概要

第一章绪论

一、绪论

1.1课题的研究背景及意义

自古至今，通信无时无刻不在影响着人们的生活，小到一次社会交际中的简单对话；大到进行太空探索时，人造探测器与地球间的信息交换。可以毫不保留地说，离开了通信技术，我们的生活将会黯然失色。近年来，随着光纤技术越来越成熟，应用范围越来越广。在广播电视领域，光纤作为广播电视信号传输的媒体，以光纤网络为基础的网络建设的格局已经形成。光纤传输系统具有的传输频带宽，容量大，损耗低，串扰小，抗干扰能力强等特点，已成为城市最可靠的数字电视和数据传输的链路，也是实现直播或两地传送最经常使用的电视传送方式。随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的现代通信技术引起了人们的极大关注，我国在移动通信技术方面投入了巨大的人力物力，我国很多地区的电力通信专用网也基本完成了从主干线向光纤过度的过程。目前，电力系统光纤通信网已成为我国规模较大，发展较为完善的专用通信网，其数据、语音，宽带等业务及电力生产专业业务都是由光纤通信承载，电力系统的生产生活，显然，已离不开光纤通信网。无线通信现状另一非常活跃的通信技术当属，无线通信技术了。无线通信技术包括了移动通信技术和无线局域网（WLAN）技术等两大主要方面。移动通信就目前来讲是3G 时代，数字化和网络化已成为不可逆转的趋势。目前，移动通信已从模拟通信发展到了数字移动通信阶段。无线局域网可以弥补以光纤通信为主的有线网络的不足，适用于无固定场所，或有线局域网架设受限制的场合，当然，同样也可以作为有线局域网的备用网络系统。WLAN，目前广泛应用IEEE802.11 系列标准。其中，工作于2.4GHZ 频段的820.11 可支持11Mbps 的共享接入速率；而802.11a 采用5GHZ 频段，速率高达54Mbps，它比802.11b 快上五倍，并和820.11b 兼容。给人们的生活工作带来了很大的方便与快捷。

在整个无线通信系统中，用来辐射或接收无线电波的装置成为天线，而通信、雷达、导航、广播、电视等无线电技术设备都是通过无线电波来传递信息的，均需

要有无线电波的辐射和接收，因此，同发射机和接收机一样，天线也是无线电技术设备的一个重要组成部分，其性能的优良对无线通信工程的成败起到重要作用。天线的作用首先在于辐射和接收无线电波，但是能辐射或接收电磁波的东西不一定都能作为天线。任何高频电路，只要不被完全屏蔽，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或从周围空间或多或少地接收电磁波，但是任意一个高频电路并不一定能用作天线，因为它的辐射或接收效率可能很低，要能够有效地辐射或接收电磁波，天线在结构和形式上必须满足一定的要求。快速发展的移动通信系统需要的是小型化、宽频带、多功能(多频段、多极化、高性能的天线。微带天线作为天线家祖的重要一员，经过近几十年的发展，已经取得了可喜的进步，在移动终端中采用内置微带天线，不但可以减小天线对于人体的辐射，还可使手机的外形设计多样化，因此内置微带天线将是未来天线技术的发展方向之一，设计出具有小型化的微带天线不但具有一定的理论价值而且具有重要的应用价值，这也成为当前国际天线界研究的热点之一。

因此，一副实用且性能良好的天线既要满足系统易于集成化的要求，同时也要满足各个系统的兼容性、可靠性要求，即为对天线小型化、宽频带、多频带的设计要求，因此本文主要对现代无线通信系统的多频带、宽带、超宽带天线进行研究和设计。

1.2微带天线的发展概述

早在1953年G.A.DcDhamps教授就提出利用微带线的辐射来制成微带微波天线的概念。但是，在接下来的近20年里，对此只有一些零星的研究。直到1972年，由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求，芒森(R．E ．Munson 和豪威尔(J．Q ．Howell 等研究者制成了第一批实用的微带天线[1]。随之，国际上展开了对微带天线的广泛研究和应用。1979年在美国新墨西哥州大学举行了微带天线的专题目际会议，1981年IEEE 天线与传播会刊在1月号上刊载了微带天线专辑。至此，微带天线已形成为天线领域中的一个专门分支，两本微带天线专辑也相继问世。80年代中，微带天线无论在理论与应用的深度上和广

度上都获得了进一步的发展；今天，这一新型天线已趋于成熟，其应用正在与日俱增。微带天线具有结构紧凑、外观优美、体积小重量轻等优点，得到广泛的应用。

1.3小型化、多频带/宽频带天线的研究现状 1.3.1天线小型化、宽频带研究现状

天线作为无线收发系统的一部分，其性能的优劣对整个系统的性能有着重要的影响。微带天线带宽相对较窄，通常低于3%，而无线通信技术的发展，特别是高速数据传输系统以及军用宽带无线系统的发展，要求天线具有更高的带宽。同时在随着电路集成度的提高，系统对天线的体积有着更高的要求，尤其是一些军用和民用的领域，如导弹制导系统和手机等等，物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素。此外随着天线尺寸的减小，天线效率会显著降低，带宽也会随之变窄。如何在天线带宽等性能受尺寸限制的情况下，设计出宽带小型化的微带天线是近年出现的一个热门课题。当然优化微带天线设计方法的探讨有着重要的意义。

1.3.2多频带天线的研究现状

多频天线主要有多频振子天线[2]、多频缝隙天线[3]和多频微带天线[4，多频振子天线主要通过添加不同长度的谐振振子来实现多频带，多频缝隙天线主要通过在辐射单元以及辐射地结构上进行开缝改变电流流向来实现多频化，多频微带天线则主要通过调节微带线的长度、宽度以及不同微带线之间的距离来实现多频化。随着

1.4论文的主要研究内容

第二章微带天线理论（参看宝儿书）第三章多频带天线设计 3.1天线多频化实现技术

3.2基于分形结构的多频微带天线设计 3.1.1

三、微带天线的小型化技术

天线作为无线收发系统的一部分，其性能的优劣对整个系统的性能有着重要的影响。微带天线带宽相对较窄，通常低于3%，而无线通信技术的发展，特别是高速数据传输系统以及军用宽带无线系统的发展，要求天线具有更高的带宽。同时在随着电路集成度的提高，系统对天线的体积有着更高的要求，尤其是一些军用和民用的领域，如导弹制导系统和手机等等，物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素。此外随着天线尺寸的减小，天线效率会显著降低，带宽也会随之变窄。如何在天线带宽等性能受尺寸限制的情况下，设计出宽带小型化的微带天线是近年出现的一个热门课题。当然优化微带天线设计方法的探讨有着重要的意义。

3.1 天线加载

在微带天线上加载短路探针 [4]，通过与馈点接近的短路探针在谐振空腔中引入耦合电容以实现小型化，典型结构如图3.1 所示。其缺点是:(1 阻抗匹配极大地依赖于短路探针的位置及其与馈电点的距离Δ，往往需要馈电点的精确定位和十分微小的Δ，这给制造公差提出了苛刻要求。(2 带宽窄。(3 H 面的交叉极化电平相对较高。将短路探针替换为低阻抗的切片电阻(chip resistor，在进一步降低谐振频率的同时还可增加带宽。

图3.1 加载短路探针的微带天线 3.2 采用特殊材料基片

从天线谐振频率关系式可以知道，谐振频率与介质参数成反比，因此采用高介电常数(如陶瓷材料 或高磁导率(如磁性材料 的基片可降低谐振频率，从而减小天线尺寸。这类高介质天线的主要缺陷是:(a 激励出较强的表面波，表面损

耗较大，使增益减小，效率降低。(b 带宽窄。为提高增益，常在天线表面覆盖介质(如图3.2 所示。

图3.2 采用高r 的多层介质微带天线 3.3 表面开槽（slot）[5] 当在贴片表面开不同形式的槽或细缝时(如图3.3 所示，切断了原先的表面电流路径，使电流绕槽边曲折流过而路径变长，在天线等效电路中相当于引入了级联电感。由于槽很窄，它可模拟为在贴片中插入一无限薄的横向磁壁。选择适当的槽从而控制贴片表面电流以激励相位差90°的极化简并模，还可形成圆极化辐射，以及实现双频工作。图3.4 为表面开槽的口径耦合馈电的小型圆极化贴片天线。

图3.3 表面开槽的小型化微带天线图3.4 小型口径耦合圆极化微带

这类天线结构简单，成本低廉，加工方便，其特点是:随槽的长度增加，天线谐振频率降低，天线尺寸减小，但尺寸的过分缩减会引起性能的急剧劣化，其中带宽(一般约为1 % 与增益尤为明显，而方向性影响不大。如何破除增益和带宽这两个限制，开发实用化、易调谐的此类天线尚待深入研究。

3.4 附加有源网络

缩小无源天线的尺寸，会导致辐射电阻减小，效率降低。可利用有源网络的放大作用及阻抗补偿技术弥补由于天线尺寸缩小引起的指标下降。有源天线具有以下良好特性:(1 工作频带宽。利用有源网络的高输出阻抗、低输入阻抗，天线

带宽高低端频比可达20～30。(2 增益高(可达10dB 以上，方向性好。(3 便于实现阻抗匹配。(4 易实施天线方向图，包括主波方向、宽度、前后辐射比等的电控。(5 有源天线阵具有单元间弱互耦的潜在性能。但有源天线需考虑噪声及非线性失真问题。

3.5 采用特殊形式

这些方法总的思路是使贴片的等效长度大于其物理长度，以实现小型化目的。近年来由于无线通信的需求，有大量方案提出，如蝶形(bow2tie(如图3.5所示、倒F 型(PIFA，planar inverted2F antenna(如图3.6 所示、L 形、E 形、Y 形、双C 形、层叠短路贴片(stacked shorted patch 等等。

图3.5 双频带蝶型微带天线图3.6 电容加载的倒F 型微带天线（PIFA）

四、结束语

微带天线由于具有体积小、重量轻、剖面薄、易与飞行器共形、易于加工、易与有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点，因而自其诞生以来就得到社会各界的广泛研究与应用。通讯产品越来越小型化，物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素，因此天线的小型化成为天线设计的一个研究热点。如何设计出具有小型化的微带天线是当前微带天线设计的难点与重点。

第二章

1.课题的研究背景及意义

从马可尼横跨大西洋的无线电通信创举，到今天千百万用户随时随地畅通无阻的漫游，从现代高科技战争中战略和战术武器使用，到日常生活中便携式通信设备普及，射频无线通信技术取得了举世瞩目的成就，并且越来越紧密的影响和改变着我们的生活。刚刚过去的十年无疑是无线通信爆炸式发展和普及的十年，射频电子技术已经成为现代无线通信快速发展的基础。通过近十年的发展来看，无线电通信技术变得更加实用，随着通信事业的飞速发展，射频前端电路的集成度越来越高，宽带化要求日益增加，低成本、低功耗、小型化、重量轻等设计要求越来越苛刻，因此射频前端电路与系统宽带化设计显得十分必要，具有巨大的经济效益和社会意义。0 天线是无线电系统中的重要部件之一，其主要功能是辐射和接收电磁波[1]，通信系统中的雷达、导航、广播、电视等都是通过电磁波来传递信息的。随着现代通信技术的快速发展, 基于分形结构的多频微带天线设计 1分形天线结构

多频天线主要有多频振子天线[2]、多频 缝隙天线[3]和多频微带天线[4]，这些多频天线辐射结构之间相互独立，没有特定变化规律，而分形几何结构独有空间填充性和自相似性的特

点，在多频微带天线的设计中可实现天线多频化、小型化的目的[4]。目前采用分形结构来实

现多频工作的有Sierpinski 三角形分形[5]、寄生分形[6]、方形分形[7]、树状分形[8]结构等，它

们通过改变分形次数而不引入有耗加载量，具有的规律性结构使得小型化天线设计得到了简化

天线是无线电系统中的重要部件之一，其主要功能是辐射和接收电磁波[1]，通信系统中的雷达、导航、广播、电视等都是通过电磁波来传递信息的。随着现代通信技术的快速发展, 小型化、多功能成为人们对各种手持设备的不断追求，这就需要一个终端设备能够同时在多个频段工作。2G 通话频段（GSM1800）、世界公开使用的无线频段（ISM2.4GHz）和用于无线通信的城域网频段（WiMAX）是小型多功能手持设备工作的重要频段，因此设计出能覆盖上述频段的天线具有实际意义...............................本文拟采用Sierpinski 分形结构，利用加载谐振和匹配枝节的办法，设计一款应用于GSM1800（1710MHz~1850MHz）、ISM（2.4GHz）和WiMAX(3.3GHz~3.6GHz 的全向辐射微带天线。设计原理

Sierpinski 分形有Sierpinski 三角和Sierpinski 毯两种，其中Sierpinski 三角的形式多样，应用较为广泛[9]。Sierpinski 三角形天线进行分形之前, 其初始元会在低频处产生一个谐振点, 随着天线分形结构迭代次数的不断增加, 天线的生成元不断减小, 而天线将保持原有的谐振点不变并在高频处增加新的谐振点, 谐振点的个数与分形的迭代次数相等, 并且在各谐振频点天线都具有相似的辐射性能。Sierpinski 三角形分形单元如图1所示。

图1Sierpinski 三角形分形单元

Sierpinski 三角形分形结构具有多频特性，且各个谐振频点成比例。比例系数可通过改变垫片的形状来调节，但不能无限次分形，其存在的截断效应将导致第一谐振点与其它谐振

点不满足谐振频率[9] n n h c f δ26.0=（1）

比例关系。其中，c 为空气中的光速，h 为迭代前三角形的高度，δ为天线的缩放因子。若通过加载枝节的方法进行调节，则可以解决仅采用Sierpinski 三角形

分形结构时频点位置难以调节和不能无限次分形实现多频化的问题。加载的微带枝节长度L 和宽度W 的表示式

分别为[10] L f c L e ∆-=22(2 2 1(2-+=r f c W ε(3 其中，r ε为相对介电常数，e ε为有效介电常数，其计算式为[10] 121(21 21-+-++=w h r r e εεε（4）L ∆为等效长度，由式（5）计算[10] 8.0(258.0(264.0(3.0(412.0+-++=∆w w h L e e εε（5）2 天线设计 2.1天线模型设计

该天线基于Sierpinski 分形结构，采用两次三角形分形分别产生1.7GHz 和3.5GHz 两个谐振点，加入短谐振枝节产生2.4GHz 的谐振点，加入长匹配枝节调节低频1.7GHz 谐振点后移至1.8GHz 处，克服了低频谐振点因加入短谐振枝节以及耦合的影响出现前移的问题，背面采用2.3mm 宽的反射参考地结构，保证天线各处辐射大小相等，实现全向辐射。设计天线模型如图2所示。

(a 正面

(b 背面 图2 天线模型 2.2 模型参数设计

采用聚四氟乙烯材料为介质基板，介电常数（r）为3.5，基板尺寸为53.6mm* 46.7mm*1mm。由式（1）可以计算求得Sierpinski 三角形分形辐射贴片的尺寸如下。初始S i e r p i n s k i 分形单元高度：ant H = 46.7mm 初始S i e r p i n s k i 分形单元宽度：W a n t = 53.6mm 第两次分形后分形单元的长度：L 1

= 17.1mm，L 2=16.1mm, L3=25.7mm，L 4=12mm 第两次分形后分形单元的宽度：W 1= 28.6mm，W 2=12.5mm 由微带贴片理论公式（2）、（3）计算加入短谐振枝节的尺寸如下。短谐振枝节长度：L 5=24.9mm 短谐振枝节宽度：W 4=1mm 通过1/4波长阻抗转换，加入长匹配枝节的长度为：L 6=34.6mm。

由于受介质均匀性、软件本身存在的仿真误差等影响，实际优化长度与理想计算长度会稍有偏差，最终设计天线以实际优化长度为主。3 仿真优化与结果分析

利用三维电磁仿真软件（Ansoft HFSS15.0）对天线结构、参数和辐射方向性进行仿真分析，仿真结果分别如图

3、图4图5和图6所示。

图3为只有分形结构和在分形结构上分别加载短谐振枝节、长匹配枝节时天线谐振点和回波损耗的对比。

图3加入不同枝节的天线回波损耗

由图3可知，当仅采用Sierpinski 分形结构时，产生低频1.7GHz 和高频3.5GHz 两个谐振点；加入短谐振枝节，可产生1.65GHz、2.4GHz、3.5GHz 3个

谐振点，与未加枝节时相比，低频1.7GHz 谐振点的位置发生前移，但产生了新的谐振点；加入长匹配枝节，产生1.8GHz、3.5GHz 两个谐振点，与加入短枝节相比，低频谐振点则向后移动，频点位置有所改善，但并没有产生更多的谐振点，因此，综合考虑加入短谐振枝节和长匹配枝节对频点位置的影响，若同时加入长短枝节则可以实现该天线多频化、小型化的设计。

图4为不同的耦合距离对天线谐振点和回波损耗的影响对比图。

图4耦合间距的优化

由图4看出，耦合距离的变化对天线谐振频率点位置的影响较小，但对回波损耗的大小影响较大，综合考虑3个频段的回波损耗，当耦合距离S=0.6mm时，回波损耗在3个谐振点处均达到-25dB 以下，达到最优。

图5为设计天线同时加入长短枝天线的谐振频点和回波损耗的变化图。

图5有无似对称枝节的天线结构仿真回波损耗对比

由图5可以看出，同时加入长短枝节以及耦合后，既增加了2.4GHz 谐振频率，也改善了低频1.7GHz 的频点位置和高频谐振处的带宽。

图6为天线在1.8GHz、2.4GHz 和3.5GHz 3个谐振点的E 面、H 面辐射方向。

(a 1.8GHz

(b 2.4GHz

(c 3.5GHz 图6 天线的E 面、H 面方向

图6中，该天线具有良好的全向远场辐射特性，说明背面采用了较窄的地结构设计该天线保证了天线在远场区等距离处辐射大小相等，实现全向辐射。将仿真天线模型导出版图进行加工，加工实物如图7所示。

(a 正面

(b）背面

图7天线加工实物 4实测结果与分析

将该天线通过SMA 连接器连接到矢网仪(Agilent Technologies E5071C 300 MHz~20 GHz 进行测试，测试结果如图8所示。

图 8 天线测试环境 将图 8 中测试结果导出并与仿真结果进行对比，对比结果如图 9 所示。图 9 天线仿真与测试回波损耗 图 9 中，天线仿真回波损耗在-10dB 以下的频段为 1.69GHz~1.85GHz、2.25GHz~2.54GHz、3.27GHz~3.69GHz，测试回波损耗在-10dB 以下的频段为 1.65GHz~1.83GHz，2.37GHz~4.1GHz。与仿真结果相比，天线测试结果中 1.8GHz 谐振频点 稍向前偏移，在 2.4GHz 和 3.5GHz 时，测试带宽与仿真带宽相比都有所提高，这主要是由 于材料及制作工艺存在误差引起的，在误差允许范围内,实测结果与仿真结果吻合。5 结语 利用分形天线结构的空间填充性和自相似性的优点实现了天线的小型化设计，通过加 入谐振枝节和匹配枝节实现了天线的多频化设计。采用三维电磁仿真软件（Ansoft HFSS15.0）进行仿真，并将该天线通过 SMA 连接器连接到矢网仪(Agilent Technologies E5071C

300 MHz~20 GHz进行测试，仿真和测试天线回波损耗在-10dB 以下的频率范围均 覆盖了 GSM1800（1710MHz~1850 MHz）、ISM（2.4GHz）、WIMAX(3.3GHz ~3.6GHz频段，实现了该多频化、小型化微带天线的设计。

第二篇：毫米波天线自动测试系统设计 豆丁网概要

收稿日期：05.8.31毫米波天线自动测试系统设计

张伟

孙厚军 何巍

北京理工大学 100081 [摘要]本文提出了一种毫米波天自动线测试系统。通过自行设计关键部件，降低了天线自动测试系统的成本。本文对测试系统发射与接收系统进行了详细论述，并给出了软件控制流程。[关键词] 毫米波天线，自动测试

THE DESIGN OF MILLIMETER-WAVE ANTENNA AUTOMATIC

MEASUREMENT SYSTEM Zhang Wei , Sun Houjun , He Wei , Beijing Institute of Technology , 100081 [Abstract] A design method of millimeter-wave antenna automatic measurement system is presented in this paper.The design method can reduce the antenna measurement system cost effectively.The realization of the transmission and receiving system are described in detail and then the measurement control flow is given.[Key Words] millimeter-wave antenna, automatic measurement 1引言

毫米波技术是当今的一个重要发展方向，在国防及民用方面具有重要的应用。天线是毫米波系统的重要组成部分，因此开发毫米波天线的测试系统非常有必要。由于毫米波信号源、频谱仪等设备均很昂贵，因此单纯由仪器搭建毫米波天线测试系统成本非常高。我们通过毫米波器件等设计出了一套毫米波天线自动测试系统，可以大大降低系统成本，且能够实现天线测试任务。毫米波天线自动测试系统组成

天线测试就是采用实验的方法来测定和检验天线的方向性、参数特性。天线的特性参数中，方向图特性尤为重要，而天线的增益、相位、极化等特性可由完整的方向图中导出，所以天线方向图测量是天线测量中最为重要的环节。本文所设计的毫米波天线测试系统测试对象为中心频率为35GHz的毫米波天线，测试带宽为2GHz，其组成原理框图如图1所示。

待测天线转台发射天线接收部分发射部分转台控制与数据处理 暗室

图1 毫米波天线测试系统原理框图

发射天线固定不动，而待测天线受转台控制，可以在方位、俯仰两维旋转，天线方向图的测量是通过天线的旋转，连续地测量接收回波幅值来进行。为了测量天线增益，可在测待定天线前，先安装已知增益的标准天线，转台不旋转，由天线测试仪测量其输出信号幅值，作为基准。在安装待测天线后测得的数据与其进行比较，则可求得每个方向角度下天线的近似增益。

毫米波天线自动测试系统主要分为三个组成部分：发射接收部分，转台及控制部分，数据处理及显示部分。发射接收部分主要完成毫米波信号的产生与发射，待测天线接收信号的放大、滤波、混频等；转台及控制部分包括转台、转台控制步进电机、步进电机控制系统；数据处理及显示部分包括信号采集卡、数据处理及显示软件等。毫米波天线测试系统发射接收机设计

天线测试系统发射接收机原理框图如下：

2GHzDDS控制信号点频源发射天线DDS滤波脉冲调制器滤波16倍频待测天线1。90625GHzDDS控制信号点频源低噪声放大器DDS滤波脉冲调制器滤波16倍频数据处理I/Q解调中频放大滤波100MHz

图2 毫米波天线测试系统收发机原理图

中频信号源由DDS产生，由DDS产生的中频信号在与固定2GHz点频混频之后，经脉冲调制输出得到射频脉冲，经滤波放大后进行16倍频之后即产生毫米波发射信号。接收信号源也由DDS产生与发射DDS相同的点频信号与固定1.90625GHz 点频信号混频，然后16倍频后输出。接收天线在接收到发射天下发射过来的信号之后经接收机放大并与接收信号源进行下变频，这样产生与发射信号差100MHz的中频信号，经滤波、放大之后与100MHz本振进行混频并解调，产生视频信号。然后由A/D信号采集卡采集后进行处理与显示。这里由于发射、接收机有一定距离，故无法使用同一个信号源，而是采用了同样的两个信号源模块。

DDS产生的中频信号由125MHz向250MHz跳频，每6.25MHz跳一个点，共20个频点。通过混频与倍频，可产生34GHz到36GHz范围内的20个点频信号，每隔0.1GHz一个频点。在每个方向角度下，对20个频率点下的接收信号都进行存储，当所有角度下的测试数据存储完后进行处理，就可以得到每隔0.1GHz的34GHz－36GHz的天线方向图数据。

本系统中，DDS选用AD公司的AD9858芯片，控制采用FPGA实现，通过FPGA往DDS中加载不同的控制字，实现跳频信号。控制转台与数据处理系统设计

天线方向图的测量就要求天线做一定角度的步进旋转，这可由计算机控制转台实现。通过计算机向步进电机驱动器发送不同的指令，控制步进电机的步进旋转，从而使天线按指定的规律运动。转台控制器可与数据处理系统合成为一块电路板，根据天线测试的时序来实现不同的任务。

数据采集由PC机内的数据采集卡实现。我们所设计的数据采集卡基于PCI总线，采用双路12位AD采集I、Q数据，每个角度下存储20个频点接收数据，并通过PCI总线传送至计算机内存。当采集完所测的角度范围后，通过数据处理，将方向图在显示器上进行显示。软件控制流程图如下：

开 始数据采集系统初始化测试系统收发机开始工作接收当前角度下的数据接收当前频点数据否采完20个频点否？是将20个频点数据存储控制转台到下一角度所有角度测完否？测试数据处理结果显示

图3 毫米波天线测试系统工作流程 结束语

本文提出的毫米波天线自动测试系统主要针对天线方向图进行测试，其他如驻波比等参数还未加以考虑。因此要实现完善的天线测试系统，还要做很多进一步的工作。

[参考文献] [1]毛乃宏，俱新德等.天线测量手册[M].北京：国防工业出版社，1987.[2]朱友良.PC式卫星天线测试仪的设计与实现.计算机应用与软件.2005年第7期.[3]常树茂，何星馀.DM型制导天线自动测试系统.测控技术学报.1996年第2期.

第三篇：第八章 电磁能量辐射与天线概要

第八章 电磁能量辐射与天线

习题8.1

一长为20m的发射天线，在频率f1MHz时，可视为单元偶极子天线，设天线上电流振幅的有效值为2.5A，求天线的辐射电阻Rrad和辐射功率P。如频率变为f100kHz，其他参数不变时，辐射电阻和辐射功率又为多少?

题意分析：

单元偶极子天线辐射电阻和辐射功率是天线特性的重要参数，必须掌握。解：

当f1MHz时

自由空间中电磁波的传播速度为光速c

所以，电磁波的波长：

c3108

300（m）6f110天线的辐射电阻：

Rrad802(天线的辐射功率：

PI2Rrad(2.5106)23.52.191011（W）

当f100kHz时：

电磁波的波长：

c3108

（m）

300 03f10010l)2802(202)3.5（）300天线的辐射电阻：

Rrad802(天线的辐射功率：

PI2Rrad(2.5106)23.51022.191013l)2802(202)3.5102（）3000（W）

从本题的分析可以看出：当激励电流和单元偶极子天线尺寸不变时，信号的频率越高，辐射功率越大。辐射电阻Rrad表征了单元偶极子天线辐射电磁能量的能力，Rrad越大，辐射能力越强。

习题8.2

一单元偶极子天线位于坐标原点，离天线较远处测得天线激发的电磁波的场强为：

sinθrE(r,t)E0sinω(t-rc)eθV/m 式中c为真空中的光速。求天线辐射的平均功率。

题意分析：

由题意，测量点距天线距离较远，本问题研究的是单元偶极子天线的远区场问题。远区场是横电磁波（TEM波），电场强度和磁场强度在空间相互垂直，且与传播方向垂直，三者满足右手螺旋定律。在研究远区场时，天线的尺寸相对于源点到场点的距离很小，可以忽略天线尺寸的影响，因此建立如图所示球坐标系。

zPereeSEHoyx

图8.2.1 场点P处电场强度，磁场强度以及坡印廷矢量方向关系

解：

根据场量与波阻抗的关系，可得磁场强度为：

EEsinr

H(r,t)Hee0sinω(t-)e（A/m）

Z0Z0rc相位系数的定义式：

表达式中ω(t-22f fcr)项可以写成ωt-r，这样就与标准表达式统一起来了。c电场强度的相量形式：

1sinθjr

E(。E0e)e（V/m）

r2磁场强度的相量形式：

1E0sinθjr

H(。e)e（A/m）

2Z0r坡印廷矢量平均值：



SavReEH*

1sinθjr1E0sinθjrRe(E0e)(e)(ee)

r2Z0r2

2E02sinθer（W/m2）22Z0r

平均功率，即将坡印廷矢量平均值Sav在球坐标系中进行闭合面积分：

22E2sin22EPSavdS0rsindd0（W）2S002Z0r90

第四篇：微波天线仿真设计实验

基于HFSS的微带天线仿真设计 1 概述

目前，在许多应用场合（如移动通信手机中）都需要体积小、重量轻的小型接收天线。微带贴片天线代表一系列的小型天线，以其剖面低、重量轻的优点而成为人们的首选。通过采用简单明了的传输线模型，建立微带线嵌入馈电贴片天线的精确模型并对之进行分析已成为可能。另外，通过应用曲线拟合公式，也可以确定50Ohm输入阻抗所需的精确嵌入长度。馈电机制在微带贴片天线设计中扮演了重要角色。微带天线可以由同轴探针或嵌入的微带线来馈电，同轴探针馈电在有源天线应用中具有优势，而微带线馈电则是适合于开发高增益微带阵列天线。

在一个薄的介质基板上，一面覆上金属薄层作为接地板，另一面采用刻蚀地方法做出各种形状的贴片，利用微带或者同轴对贴片进行馈电，这就是最基本的微带贴片天线。它在导体贴片和接地板之间激励起电磁场，并通过贴片与接地板的缝隙向外辐射。

天线分析的基础问题是求解天线周围空间建立的电磁场，进而得出方向图增益和输入阻抗等特性指标。如下图1，图2所示。

图1 矩形微带天线开路段电场结构

图2 场分布侧面图 天线基础

天线的性能直接影响着整个无线通信的性能，一般来说，表征天线性能的主要参数有方向特性、增益、输入阻抗、驻波比、极化特性等。

2.1 天线的极化方式

所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。根据极化方向可分为垂直极化波和水平极化波。

(1)水平极化波：当电场强度方向平行于地面形成的波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减。

(2)垂直极化波：当电场强度方向垂直于地面形成的波。垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。

2.2 天线的增益

天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。

一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。表征天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为11dBi。

2.3 天线的阻抗

天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。

天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗。

驻波比：它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。

回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。

2.4 天线的波瓣宽度

波瓣宽度是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度（天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系）。

(1)垂直波瓣宽度：一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此，一定范围内通过对天线垂直度（俯仰角）的调节，可以达到改善小区覆盖质 量的目的。

(2)水平波瓣宽度：水平平面的半功率角（H－Plane Half Power beamwidth）45°,60°,90°等)定义了天线水平平面的波束宽度。角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但当提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。角度越小，在扇区交界处覆盖越差。

3矩形贴片的设计

矩形贴片是微带贴片天线最基本的模型，本设计就是基于微带贴片天线基础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上，设计一个矩形贴片，其工作频率在2.45GHz，并分析其远区场辐射特性以及S曲线，3.1 设计目的

(1)学习设计微带天线的设计方法；

(2)掌握矩形贴片的设计方法及其远区辐射场的特性以及S曲线；(3)掌握HFSS10仿真软件的使用。

3.2 矩形微带贴片天线的辐射原理

如图3所示，用传输线模分析法介绍它的辐射原理。

设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基 片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最

简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。

在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。

图3 矩形贴片天线示意图

3.3 矩形贴片天线的仿真设计

1．建立新的工程 2．设置求解类型 3.设置模型单位

4．创建微带天线模型

(1)创建地板GroundPlane。尺寸为90mm*90mm，并设置理想金属边界。

(2)建立介质基片。尺寸为45mm*45mm*5mm。将材料设置为Rogers R04003。(3)建立贴片Patch。尺寸为：32mm*32mm，并设置理想金属边界。

(4)创建切角。首先在坐标原点处创建三角形，然后将其移动到方形贴片的顶点处。输入点的坐标：X：0，Y：0，Z：5；X：5，Y：0，Z：5； X：0，Y：5，Z：5；X：0，Y：0，Z：5。通过旋转180度创建另一个切角。(5)用Patch将切角减去。(6)创建探针Pin。圆柱中心点的坐标：X：0，Y：8，Z：0；输入圆柱半径：dX：0, dY：0.5，dZ：0；输入圆柱的高度： dX：0，dY：0，dZ：5。材料设置为pec。

(7)创建端口面Port。圆心点的坐标：X：0，Y：8，Z：0，半径为：dX：0，dY：1.5，dZ：0。

(8)用GroundPlane 将Port减去。

5.创建辐射边界

创建Air，尺寸为：160mm*160mm*70mm。辐射边界命名为Rad1。

6．设置端口激励

端口命名为p1。在Modes 标签中的Integration line zhong点击None，选择New Line，在坐标栏中输入：X：0，Y：9.5，Z：0；dX：0，dY：-1，dZ：0，按回车键，点击Next按钮直至结束。

7．求解设置

为该问题设置求解频率及扫频范围

(1)设置求解频率。设置窗口：Solution Frequency ：2.45GHz；Maximun Number of Passes：15；Maximun Delta S per Pass ：0.02。

(2)设置扫频。扫频窗口中做以下设置：Sweep Type：Fast；Frequency Setup Type：Linear Count；Start :2.0GHz；Stop：3.0GHz；Count：400；将Save Field复选框选中。8.设置无限大球面

在菜单栏中点击HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere。在Infinite Sphere标签中做以下设置：Phi：Start：0 deg，Stop：180deg，Step：90 deg；Theta：Start：0 deg，Stop：360 deg，Step：10 deg。

9.确认设计 10.保存并求解工程 11 后处理操作

(1)S参数（反射系数）。

绘制该问题的反射系数曲线，该问题为单端口问题，因此反射系数是s11。点击菜单栏HFSS>Result>Create Report。选择：Report Type：Modal S Parameters ；Display Type：Rectangle。Trace窗口：Solution：Setup1:Sweep1； Domain：Sweep 点击Y标签，选择：Category：S parameter；Quantity：S（p1，p1）；Function：dB，然后点击Add Trace按钮。点击Done按钮完成 操作，绘制出反射系数曲线。

(2)2D辐射远场方向图。

在菜单栏点击HFSS>Result >Create Report。选择：Report Type：Far Fields；Display Type：Radiation Pattern。Trace 窗口：Solution：Setup1：LastAdptive；Geometry：ff_2d。在Sweep标签中，在Name这一列中点击第一个变量Phi，在下拉菜单中选择The。点击Mag标签，选择：Category ：Gain；Quantity：GainTotal；Function：dB,点击Add Trace按钮。最后点击Done，绘制出方向图。结果分析

4.1 对探针位置的探讨

地板长、宽、高分别为： dX：90，dY：90，dZ：0。

介质基片长、宽、高：dX：45，dY：45，dZ：5；材料为Rogers R04003。贴片Patch长、宽、高： dX：32，dY：32，dZ：0。

4.1.1探针在Y轴

探针中心点的坐标：X：0，Y：8，Z：0；半径：dX：0, dY：0.5，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图4所示：

图4 矩形贴片天线3D模型(探针在Y轴)

(1)反射系数曲线

在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图5所示。

图5 反射系数图（Y轴）

(2)2D辐射远场方向图

在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图6所示。

图6 2D辐射远场方向图（Y轴）分析： 当探针在Y轴上时，回波损耗在13.8dB左右，工作频带在2.35GHz-2.47 GHz。

由远场方向图可看出，有一个小的背瓣。频点在2.42 GHz左右，不在2.45 GHz，因此需要进行优化。

4.1.2 探针位置在X轴上

探针中心点的坐标：X：8，Y：0，Z：0；半径：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图7所示：

图7 矩形贴片天线3D模型(探针在X轴)

(1)反射系数曲线

在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图8所示。

图8 反射系数图（X轴）

(2)2D辐射远场方向图

在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图9所示。

图9 2D辐射远场方向图（X轴）

分析：当探针在X轴上时，回波损耗也在13.8dB左右，工作频带在2.37GHz-2.48 GHz。

由远场方向图可看出，有一个小的背瓣。频点在2.43 GHz左右，不在2.45 GHz.说明此位置仍不是最佳位置。

4.1.3 探针在对角线位置上 探针中心点的坐标：X：-4.2，Y：4.2，Z：0；半径：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图10所示：

图10 矩形贴片天线3D模型(探针在对角线轴)(1)反射系数曲线

在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图11所示。

图11 反射系数图（对角线）

(2)2D辐射远场方向图

在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图12所示。

图12 2D辐射远场方向图（对角线上）

分析：当探针在对角线上时，回波损耗为-29dB，频点恰好在2.45GHz，工作频带在2.43GHz-2.47GHz工作特性很好，可知工作频带很窄。由远场图可知，此位置仍有一个小的背瓣。

因此，探针在这个工作特性很好，但工作带宽有点窄。探针中心点的坐标：X：8，Y：8，Z：0；半径：dX：0.5, dY：0，dZ：0； 高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图13所示：

图13 矩形贴片天线3D模型(探针在对角线轴)

(1)反射系数曲线

在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图14所示。

图14 反射系数图（对角线）

(2)2D辐射远场方向图

在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图15所示。

图15 2D辐射远场方向图（对角线上）

分析： 当将探针设置在此位置时，回波损耗在-14.3dB左右，频带宽度在2.40 GHz-2.49GHz,频点正好在2.45GHz。

由远场方向图可知，在此位置有一个小的背瓣。

探针在这个位置工作特性很好，工作频带也较宽。此外还可知在对角线上越靠近中心，天线性能越好。

4.2 改变贴片尺寸

地板长、宽、高分别为： dX：90，dY：90，dZ：0。

介质基片长、宽、高：dX：45，dY：45，dZ：5；材料为Rogers R04003。贴片Patch长、宽、高： dX：31.7，dY：31.7，dZ：0。

探针中心点的坐标：X：8，Y：0，Z：0；半径：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图16所示。

图16 矩形贴片天线3D模型(贴片尺寸改变)(1)反射系数曲线

仍在上述所设求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图17所示。

图17 反射系数曲线（贴片尺寸改变）

(2)2D辐射远场方向图

在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图18所示。

图18 2D辐射远场方向图（贴片尺寸改变）

分析： 当其他条件不变，改变贴片尺寸（由32mm*32mm改为31.7mm*31.7mm）时，回波损耗在-12.5dB左右，频带宽度在2.39 GHz-2.50GHz,频点正好在2.45GHz。

由远场方向图可知，在此位置仍有一个小的背瓣。探针在这个位置（X轴）工作特性不错，工作频带也较宽。

4.3 改变探针半径

在4.2的基础上，将探针半径改为0.4mm，其他条件不变，则所形成的反射系数图和2D辐射远场方向图如图19，图20所示。

图 19 反射系数图曲线（探针半径0.4mm）

图20 2D辐射远场方向图(探针半径0.4mm)分析：① 在上一步的基础上，改变探针半径（由0.5mm改为0.4mm）时，回波损耗在-14.1dB左右，频带宽度在2.40 GHz-2.52GHz,频点正好在2.46GHz。

② 由远场方向图可知，在此位置仍有一个小的背瓣。

③ 此时，探针不在工作频点，可知探针半径太小，但由上研究可知，半 径在稍微改大一点应该可以使探针工作在2.45 GHz（这个问题由于时间问题没研究）。

总结：

① 当频率低于工作频点时，优化天线的措施有：改变探针位置、探针半径、贴片尺寸等，均可以使其工作在频点（如2.45GHz）。

② 对于矩形贴片可知：当探针在坐标轴上时，天线性能不是很理想；当在对角线上时，天线的性能较理想，工作频带较在坐标轴的位置要窄，而且探针在对角线上靠近中心的位置上，天线的性能更好。

③ 当改变探针半径时，半径减小，工作频率变大。通过调整可以使贴片工作在频点。设计体会

微波课设在短短的几天时间里完成了。首先非常感谢老师以及各位学长的帮助和指导。

由于老师已经在指导书上列出了很详细的操作步骤，设计思路都体现在里面，因此这次课设上手还是很快的。这使我们能够很快的把握住设计思路，进一步学会如何利用HFSS10这款软件设计微带天，并通过所形成的远区辐射场图和S曲线分析矩形微带天线的特性。学习将基础的理论知识应用到微带天线的实际设计中。做完之后再回头想一下，按照公式计算出来的矩形天线的参数运用到实际时，并不能使天线达到理想的辐射状态。这可能是由于一些共识的近似表示以及实际天线所处环境等因素造成。由此可知，在具体设计微带天线时要根据实际的情况对天线进行优化处理，使其达到理想辐射特点。当然在做实验时并不是特别顺利，所幸的是，在老师和几位学长的帮助指导下解决了，并从中学到很多东西。

此外，在这次课设中同学间的配合也是相当重要的。每个学生对老师课堂所讲的内容的接收程度不同。只有同学间的相互配合，提出问题，然后讨论最后解决，才能使课设结果达到更好的效果。参考文献

《微波天线与技术》 西安电子科技大学出版社 刘学观 郭辉萍 编著。

第五篇：教学设计概要

第四讲教学设计概要

万事预则立，不预则废。

不管是课堂革命还是课程改革，不管是三维目标还是核心素养，都离两个环节：备课和上课。

在建筑行业，建筑设计师比现场施工经理的地位要高，因为设计比施工更重要、更专业。在教学领域，同样是备课比上课更重要，备课准备充分了，上课就差不到哪里，二者价值应该说是三七开。不过，在中小学，备课与上课基本上一个人实施，不少教师更重视上课。

备课如此重要，因此，不管什么改革，都绕不开备课这一重要环节。

我国目前大部分教师使用的备课模型是简陋的，还是几十年前的凯洛夫模型：教学目标、教材分析、学情分析、教学重难点、教学用具、教学过程等。用这样的模型不能适应核心素养时代的需要。

因此，教师专业化首先要做到备课专业化。本篇以问答的方式来回答什么是专业化备课的基本问题。

一、备课的专业说法是什么？

备课的专业说法是教学设计。

教学设计是创建教学系统的过程（加涅）。

要理解教学设计，就先得理解什么是教学、什么是教学系统、什么是设计。学生可以从教中学、育中学、养中学、做中学。从教中学，就简称为教学，教学设计的祖师爷加涅是这样定义教学的：教学是嵌于有目的活动中的促进学习的一系列事件（加涅）。简单来说，就是有目的有计划促进学习的活动。

教学系统是用于促进学习的资源和程序的安排。（加涅）设计简单的定义是：有目的的创作行为。直白的说，就是“设计是一个使梦想变成现实的过程。”

教学设计是以学习者的学习为中心的，因此，也可以称之为学习设计。

加涅认为不存在唯一最佳教学设计模型，但不管什么模型方法都有如下基本的共同假设。

第一个假设，教学设计必须以帮助学习者学习而不是教学过程为目的。教学设计必须建立以学习者学习为中心的理念，同时教学设计也是以有目的的学习而不是“偶然”学习为目的。

第二个假设，教学设计必须基于学习原理。教学设计运用学习原理为设计学习事件和学习过程。比如，依据工作记忆容量是有限的这个原理，在教学设计时，我们就需要设计PPT或板书来减轻认知负担。

第三个假设，教学设计要关注的因素非常多，因为学习是受许多变量影响的复杂过程，这就决定了教学设计的复杂性。例如，如果不考虑学习者的动机和原有知识水平，则高质量的教学不可能是有效的。

第四个假设，教学设计是一个系统化的过程。教学设计是由一系列相关的、可识别的子过程组成，比如确定预期的结果、选择教学方法、开发学习材料、设计练习、评价与反馈等。要以系统论观点对这些过程步骤进行有序安排、建立结构。

第五个假设，教学设计是一个反复迭代的过程。并不能指望一次形成一个完美的教学设计。不将学习者包括在设计过程中就不是完整的教学设计。必须利用学习者来对教学设计进行检验，以便决定什么可行、什么不可行。教学设计是在实践中持续完善的过程。因此，设计者并不设计完美的教学，他们只是使教学设计趋于完美，教学设计永远走在改进的路上。

第六个假设，不同的类型的学习结果需要不同类型的教学。比如，概念、原理、技能、能力等教与学的方式是不一样的，即使是概念，不同概念类型教学方式也是不一样的。例如，不让学生参与到问题解决过程就不可能形成问题解决能力的。

第七个假设，教学设计有多种设计水平上的运用。有针对一节课的教学设计、有针对一个单元的教学设计、有针对一个项目的教学设计、有针对一个学期的教学设计、有针对一门课程的教学设计。中小学教师大多针对一节课或一个单元的教学设计。

第八个假设，系统的教学设计能极大地影响个人的发展。人可以从教中学、育中学、养中学、做中学。某些人本主义教育家认为：“好的教育只为受教育者提供养育作用的环境，让学生在其中以他们自己的方式成长，不必外加任何计划去指引他们的学习。”加涅反对这种观点，认为“教学设计的基本原因是要确保没有一个人是教育上的不利者，并确保所有学生都有最充分地运用自己潜能的平等机会。”系统的教学设计能大大提高学习质量。

二、教学设计需要哪些支撑？

要掌握教学设计是一件非常复杂的事情，除了教育学、心理学、教学论、教育心理学等知识外，还要专门学习教学设计的知识，如果要跟上当前课程改革的形势，还要理解核心素养和了解项目式学习等新的教学方式。

要理解教育与学习之间的关系，涉及教育学、教育哲学等。

要知道学生是如何学习的，学习的过程是怎样，涉及到学习科学、脑科学、教育心理学。

要知道学习内容的分类，不同的学习内容的不同学习方式和教学策略，涉及教育目标分类学。

要理解课堂的教学活动和教学模式。

要知道教学设计的基本模型，掌握教学设计的基本方法。对本学科要有充分的理解，并且对相关学科也要有一定的了解，要有丰富深刻的学科知识。

要理解当下教育改革去向，理解什么是核心素养，核心素养如何在教学设计中得到充分的体现。

要掌握以上内容，建议阅读以下书目：

《认知心理学及其启示》（约翰。安德森），从认知神经科学的角度研究认知的过程。《人是如何学习的：大脑、心理、经验及学校》，集成了学习研究的新成果。

《教育心理学：理论与实践》（罗伯特。斯莱文）、《当代教育心理学》（陈琦），依据心理学研究为教学提供理论基础和实用教学策略。

《学习的条件与教学论》（加涅）、《学习、教学和评估的分类学》（安德森）、《学习心理学》（王小明），这些著作对学习和知识进行分类，并对每种类型提供相应的学习方式和教学策略。

《提高学生学习效率的九种教学方法》（赛瑞迪因），《深度学习的7种有效策略》、《聪明教学七原理》（苏珊。安布罗斯），这些著作是学习策略、学习活动的。

《聚焦五星教学》（盛群力编）、《教学模式》（布鲁斯。乔伊斯），这些著作是研究课堂教学结构。

《教学设计原理》（加涅）、《系统化教学设计》（迪克）、《追求理解的教学设计》（格兰特。威金斯）、《现代教学设计》（皮连生），这些著作是研究如何做教学设计的。

要做好教学设计，学科知识还要进一步学习和理解，要阅读教材教参、学科史、学科教学心理学等方面书籍。

要读这么多书就不容易了，更不容易的是，如何把这些理论知识如何运用到教学设计中去，设计出一个完整的教学设计，这才是更难的事情。

所以，学习教学设计最好的办法是在做中学，要用融合式学习的方法来学。

教学设计是一个系统的过程，是一个结构化过程，有结构就有模型。因此，学教学设计从教学设计模型开始。最经典的教学设计是加涅提出的：ADDIE模型。

三、什么是ADDIE模型？

教学设计是创建教学系统的过程，因此，教学设计也称之为教学系统设计。加涅把这个过程分为了分析（analysis）、设计(design)、开发(development)、实施(implementation)、评价(evaluation)五个阶段，简称ADDIE模型。做教学设计，必须要知道ADDIE，否则就是笑话，如同学物理学的人一定要知道牛顿三大定律一样。

这里需要指出的是，实施也是设计的一个阶段，是因为加涅认为教学设计是一个反复迭代的过程，需要在实施中检验、在实施中获得反馈。

分析是教学设计的开始。如果我们要设计一座住宅，就必须考虑住宅的用途、居住者的性质及其需要、预算、时间限制和必须的资源。同样，我们在做教学设计时，也要考虑为什么要学习这个内容、学什么内容、学习者做好学习的准备了吗、学习需要的资源和限制条件等。

分析阶段是为设计阶段中的决策提供重要的支持性信息。因此，分析阶段是很重要的，也是最容易被忽略的步骤。因为大家都想直接进入更具乐趣和创造性的设计阶段。而分析不足是大多数教学失败的通病，所以要认真进行分析。

设计是研究怎么学的阶段，对学习资源和学习事件进行有效的安排，目的是得到具体的教学方案和学习方案。设计环节包括：把课程目标为学习目标、把单元分解为课或学习活动、安排学习活动和配置教学策略、设计评估学生学习达成状况等。

设计是一个复杂的、充满挑战性过程，既需要坚实的理论基础、掌握过硬的教与学技术、又需要灵感和洞察力，这才能设计出有趣有效有价值的学习方案。

开发就是准备学习材料。根据设计的要求，开发教师教的材料和学生学习的材料，包括开发教学素材、制作评估表格、开发作业、开发学案、制作PPT等。

实施就是上课，把设计好的东西如何在课堂上呈现出来。实施主要包括：课前准备、教学基本功、教学策略的执行、课堂管理、课堂文化建设和动机激发等。

评价是ADDIE模型的最后一个阶段。评价分为形成性评价和总结性评价。形成性评价是对整个教学设计的各个阶段进行评价，旨在改进在下的教学设计或者为未来的教学设计留下经验。因此，形成性评价不是实施完后再来进行评价，而是边设计可以边评价边修改。形成性评价的实施主体是教学设计者本人。总结性评价是在教学设计流程结束后进行的评价，旨在确定是否达成既定目标，总结性评价主体既可以是设计者本人也可以是他人。

教学设计模型有几十个，但ADDIE模型是目前最著名、使用最广泛的教学设计模型，其他大部分模型都在ADDIE模型的基础上发展起来，因此ADDIE模型称之为模型中的模型。