第一篇：天線設計畢業論文概要

第一章緒論

一、緒論

1.1課題的研究背景及意義

自古至今，通信無時無刻不在影響著人們的生活，小到一次社會交際中的簡單對話；大到進行太空探索時，人造探測器與地球間的信息交換。可以毫不保留地說，離開了通信技術，我們的生活將會黯然失色。近年來，隨著光纖技術越來越成熟，應用范圍越來越廣。在廣播電視領域，光纖作為廣播電視信號傳輸的媒體，以光纖網絡為基礎的網絡建設的格局已經形成。光纖傳輸系統具有的傳輸頻帶寬，容量大，損耗低，串擾小，抗干擾能力強等特點，已成為城市最可靠的數字電視和數據傳輸的鏈路，也是實現直播或兩地傳送最經常使用的電視傳送方式。隨著全球通信業務的迅速發展，作為未來個人通信主要手段的現代通信技術引起了人們的極大關注，我國在移動通信技術方面投入了巨大的人力物力，我國很多地區的電力通信專用網也基本完成了從主干線向光纖過度的過程。目前，電力系統光纖通信網已成為我國規模較大，發展較為完善的專用通信網，其數據、語音，寬帶等業務及電力生產專業業務都是由光纖通信承載，電力系統的生產生活，顯然，已離不開光纖通信網。無線通信現狀另一非常活躍的通信技術當屬，無線通信技術了。無線通信技術包括了移動通信技術和無線局域網（WLAN）技術等兩大主要方面。移動通信就目前來講是3G 時代，數字化和網絡化已成為不可逆轉的趨勢。目前，移動通信已從模擬通信發展到了數字移動通信階段。無線局域網可以彌補以光纖通信為主的有線網絡的不足，適用于無固定場所，或有線局域網架設受限制的場合，當然，同樣也可以作為有線局域網的備用網絡系統。WLAN，目前廣泛應用IEEE802.11 系列標準。其中，工作于2.4GHZ 頻段的820.11 可支持11Mbps 的共享接入速率；而802.11a 采用5GHZ 頻段，速率高達54Mbps，它比802.11b 快上五倍，并和820.11b 兼容。給人們的生活工作帶來了很大的方便與快捷。

在整個無線通信系統中，用來輻射或接收無線電波的裝置成為天線，而通信、雷達、導航、廣播、電視等無線電技術設備都是通過無線電波來傳遞信息的，均需

要有無線電波的輻射和接收，因此，同發射機和接收機一樣，天線也是無線電技術設備的一個重要組成部分，其性能的優良對無線通信工程的成敗起到重要作用。天線的作用首先在于輻射和接收無線電波，但是能輻射或接收電磁波的東西不一定都能作為天線。任何高頻電路，只要不被完全屏蔽，都可以向周圍空間或多或少地輻射電磁波，或從周圍空間或多或少地接收電磁波，但是任意一個高頻電路并不一定能用作天線，因為它的輻射或接收效率可能很低，要能夠有效地輻射或接收電磁波，天線在結構和形式上必須滿足一定的要求。快速發展的移動通信系統需要的是小型化、寬頻帶、多功能(多頻段、多極化、高性能的天線。微帶天線作為天線家祖的重要一員，經過近幾十年的發展，已經取得了可喜的進步，在移動終端中采用內置微帶天線，不但可以減小天線對于人體的輻射，還可使手機的外形設計多樣化，因此內置微帶天線將是未來天線技術的發展方向之一，設計出具有小型化的微帶天線不但具有一定的理論價值而且具有重要的應用價值，這也成為當前國際天線界研究的熱點之一。

因此，一副實用且性能良好的天線既要滿足系統易于集成化的要求，同時也要滿足各個系統的兼容性、可靠性要求，即為對天線小型化、寬頻帶、多頻帶的設計要求，因此本文主要對現代無線通信系統的多頻帶、寬帶、超寬帶天線進行研究和設計。

1.2微帶天線的發展概述

早在1953年G.A.DcDhamps教授就提出利用微帶線的輻射來制成微帶微波天線的概念。但是，在接下來的近20年里，對此只有一些零星的研究。直到1972年，由于微波集成技術的發展和空間技術對低剖面天線的迫切需求，芒森(R．E ．Munson 和豪威爾(J．Q ．Howell 等研究者制成了第一批實用的微帶天線[1]。隨之，國際上展開了對微帶天線的廣泛研究和應用。1979年在美國新墨西哥州大學舉行了微帶天線的專題目際會議，1981年IEEE 天線與傳播會刊在1月號上刊載了微帶天線專輯。至此，微帶天線已形成為天線領域中的一個專門分支，兩本微帶天線專輯也相繼問世。80年代中，微帶天線無論在理論與應用的深度上和廣

度上都獲得了進一步的發展；今天，這一新型天線已趨于成熟，其應用正在與日俱增。微帶天線具有結構緊湊、外觀優美、體積小重量輕等優點，得到廣泛的應用。

1.3小型化、多頻帶/寬頻帶天線的研究現狀 1.3.1天線小型化、寬頻帶研究現狀

天線作為無線收發系統的一部分，其性能的優劣對整個系統的性能有著重要的影響。微帶天線帶寬相對較窄，通常低于3%，而無線通信技術的發展，特別是高速數據傳輸系統以及軍用寬帶無線系統的發展，要求天線具有更高的帶寬。同時在隨著電路集成度的提高，系統對天線的體積有著更高的要求，尤其是一些軍用和民用的領域，如導彈制導系統和手機等等，物理空間的限制成為系統設計必須考慮的重要因素。此外隨著天線尺寸的減小，天線效率會顯著降低，帶寬也會隨之變窄。如何在天線帶寬等性能受尺寸限制的情況下，設計出寬帶小型化的微帶天線是近年出現的一個熱門課題。當然優化微帶天線設計方法的探討有著重要的意義。

1.3.2多頻帶天線的研究現狀

多頻天線主要有多頻振子天線[2]、多頻縫隙天線[3]和多頻微帶天線[4，多頻振子天線主要通過添加不同長度的諧振振子來實現多頻帶，多頻縫隙天線主要通過在輻射單元以及輻射地結構上進行開縫改變電流流向來實現多頻化，多頻微帶天線則主要通過調節微帶線的長度、寬度以及不同微帶線之間的距離來實現多頻化。隨著

1.4論文的主要研究內容

第二章微帶天線理論（參看寶兒書）第三章多頻帶天線設計 3.1天線多頻化實現技術

3.2基于分形結構的多頻微帶天線設計 3.1.1

三、微帶天線的小型化技術

天線作為無線收發系統的一部分，其性能的優劣對整個系統的性能有著重要的影響。微帶天線帶寬相對較窄，通常低于3%，而無線通信技術的發展，特別是高速數據傳輸系統以及軍用寬帶無線系統的發展，要求天線具有更高的帶寬。同時在隨著電路集成度的提高，系統對天線的體積有著更高的要求，尤其是一些軍用和民用的領域，如導彈制導系統和手機等等，物理空間的限制成為系統設計必須考慮的重要因素。此外隨著天線尺寸的減小，天線效率會顯著降低，帶寬也會隨之變窄。如何在天線帶寬等性能受尺寸限制的情況下，設計出寬帶小型化的微帶天線是近年出現的一個熱門課題。當然優化微帶天線設計方法的探討有著重要的意義。

3.1 天線加載

在微帶天線上加載短路探針 [4]，通過與饋點接近的短路探針在諧振空腔中引入耦合電容以實現小型化，典型結構如圖3.1 所示。其缺點是:(1 阻抗匹配極大地依賴于短路探針的位置及其與饋電點的距離Δ，往往需要饋電點的精確定位和十分微小的Δ，這給制造公差提出了苛刻要求。(2 帶寬窄。(3 H 面的交叉極化電平相對較高。將短路探針替換為低阻抗的切片電阻(chip resistor，在進一步降低諧振頻率的同時還可增加帶寬。

圖3.1 加載短路探針的微帶天線 3.2 采用特殊材料基片

從天線諧振頻率關系式可以知道，諧振頻率與介質參數成反比，因此采用高介電常數(如陶瓷材料 或高磁導率(如磁性材料 的基片可降低諧振頻率，從而減小天線尺寸。這類高介質天線的主要缺陷是:(a 激勵出較強的表面波，表面損

耗較大，使增益減小，效率降低。(b 帶寬窄。為提高增益，常在天線表面覆蓋介質(如圖3.2 所示。

圖3.2 采用高r 的多層介質微帶天線 3.3 表面開槽（slot）[5] 當在貼片表面開不同形式的槽或細縫時(如圖3.3 所示，切斷了原先的表面電流路徑，使電流繞槽邊曲折流過而路徑變長，在天線等效電路中相當于引入了級聯電感。由于槽很窄，它可模擬為在貼片中插入一無限薄的橫向磁壁。選擇適當的槽從而控制貼片表面電流以激勵相位差90°的極化簡并模，還可形成圓極化輻射，以及實現雙頻工作。圖3.4 為表面開槽的口徑耦合饋電的小型圓極化貼片天線。

圖3.3 表面開槽的小型化微帶天線圖3.4 小型口徑耦合圓極化微帶

這類天線結構簡單，成本低廉，加工方便，其特點是:隨槽的長度增加，天線諧振頻率降低，天線尺寸減小，但尺寸的過分縮減會引起性能的急劇劣化，其中帶寬(一般約為1 % 與增益尤為明顯，而方向性影響不大。如何破除增益和帶寬這兩個限制，開發實用化、易調諧的此類天線尚待深入研究。

3.4 附加有源網絡

縮小無源天線的尺寸，會導致輻射電阻減小，效率降低。可利用有源網絡的放大作用及阻抗補償技術彌補由于天線尺寸縮小引起的指標下降。有源天線具有以下良好特性:(1 工作頻帶寬。利用有源網絡的高輸出阻抗、低輸入阻抗，天線

帶寬高低端頻比可達20～30。(2 增益高(可達10dB 以上，方向性好。(3 便于實現阻抗匹配。(4 易實施天線方向圖，包括主波方向、寬度、前后輻射比等的電控。(5 有源天線陣具有單元間弱互耦的潛在性能。但有源天線需考慮噪聲及非線性失真問題。

3.5 采用特殊形式

這些方法總的思路是使貼片的等效長度大于其物理長度，以實現小型化目的。近年來由于無線通信的需求，有大量方案提出，如蝶形(bow2tie(如圖3.5所示、倒F 型(PIFA，planar inverted2F antenna(如圖3.6 所示、L 形、E 形、Y 形、雙C 形、層疊短路貼片(stacked shorted patch 等等。

圖3.5 雙頻帶蝶型微帶天線圖3.6 電容加載的倒F 型微帶天線（PIFA）

四、結束語

微帶天線由于具有體積小、重量輕、剖面薄、易與飛行器共形、易于加工、易與有源器件和電路集成為單一模塊等諸多優點，因而自其誕生以來就得到社會各界的廣泛研究與應用。通訊產品越來越小型化，物理空間的限制成為系統設計必須考慮的重要因素，因此天線的小型化成為天線設計的一個研究熱點。如何設計出具有小型化的微帶天線是當前微帶天線設計的難點與重點。

第二章

1.課題的研究背景及意義

從馬可尼橫跨大西洋的無線電通信創舉，到今天千百萬用戶隨時隨地暢通無阻的漫游，從現代高科技戰爭中戰略和戰術武器使用，到日常生活中便攜式通信設備普及，射頻無線通信技術取得了舉世矚目的成就，并且越來越緊密的影響和改變著我們的生活。剛剛過去的十年無疑是無線通信爆炸式發展和普及的十年，射頻電子技術已經成為現代無線通信快速發展的基礎。通過近十年的發展來看，無線電通信技術變得更加實用，隨著通信事業的飛速發展，射頻前端電路的集成度越來越高，寬帶化要求日益增加，低成本、低功耗、小型化、重量輕等設計要求越來越苛刻，因此射頻前端電路與系統寬帶化設計顯得十分必要，具有巨大的經濟效益和社會意義。0 天線是無線電系統中的重要部件之一，其主要功能是輻射和接收電磁波[1]，通信系統中的雷達、導航、廣播、電視等都是通過電磁波來傳遞信息的。隨著現代通信技術的快速發展, 基于分形結構的多頻微帶天線設計 1分形天線結構

多頻天線主要有多頻振子天線[2]、多頻 縫隙天線[3]和多頻微帶天線[4]，這些多頻天線輻射結構之間相互獨立，沒有特定變化規律，而分形幾何結構獨有空間填充性和自相似性的特

點，在多頻微帶天線的設計中可實現天線多頻化、小型化的目的[4]。目前采用分形結構來實

現多頻工作的有Sierpinski 三角形分形[5]、寄生分形[6]、方形分形[7]、樹狀分形[8]結構等，它

們通過改變分形次數而不引入有耗加載量，具有的規律性結構使得小型化天線設計得到了簡化

天線是無線電系統中的重要部件之一，其主要功能是輻射和接收電磁波[1]，通信系統中的雷達、導航、廣播、電視等都是通過電磁波來傳遞信息的。隨著現代通信技術的快速發展, 小型化、多功能成為人們對各種手持設備的不斷追求，這就需要一個終端設備能夠同時在多個頻段工作。2G 通話頻段（GSM1800）、世界公開使用的無線頻段（ISM2.4GHz）和用于無線通信的城域網頻段（WiMAX）是小型多功能手持設備工作的重要頻段，因此設計出能覆蓋上述頻段的天線具有實際意義...............................本文擬采用Sierpinski 分形結構，利用加載諧振和匹配枝節的辦法，設計一款應用于GSM1800（1710MHz~1850MHz）、ISM（2.4GHz）和WiMAX(3.3GHz~3.6GHz 的全向輻射微帶天線。設計原理

Sierpinski 分形有Sierpinski 三角和Sierpinski 毯兩種，其中Sierpinski 三角的形式多樣，應用較為廣泛[9]。Sierpinski 三角形天線進行分形之前, 其初始元會在低頻處產生一個諧振點, 隨著天線分形結構迭代次數的不斷增加, 天線的生成元不斷減小, 而天線將保持原有的諧振點不變并在高頻處增加新的諧振點, 諧振點的個數與分形的迭代次數相等, 并且在各諧振頻點天線都具有相似的輻射性能。Sierpinski 三角形分形單元如圖1所示。

圖1Sierpinski 三角形分形單元

Sierpinski 三角形分形結構具有多頻特性，且各個諧振頻點成比例。比例系數可通過改變墊片的形狀來調節，但不能無限次分形，其存在的截斷效應將導致第一諧振點與其它諧振

點不滿足諧振頻率[9] n n h c f δ26.0=（1）

比例關系。其中，c 為空氣中的光速，h 為迭代前三角形的高度，δ為天線的縮放因子。若通過加載枝節的方法進行調節，則可以解決僅采用Sierpinski 三角形

分形結構時頻點位置難以調節和不能無限次分形實現多頻化的問題。加載的微帶枝節長度L 和寬度W 的表示式

分別為[10] L f c L e ?-=22(2 2 1(2-+=r f c W ε(3 其中，r ε為相對介電常數，e ε為有效介電常數，其計算式為[10] 121(21 21-+-++=w h r r e εεε（4）L ?為等效長度，由式（5）計算[10] 8.0(258.0(264.0(3.0(412.0+-++=?w w h L e e εε（5）2 天線設計 2.1天線模型設計

該天線基于Sierpinski 分形結構，采用兩次三角形分形分別產生1.7GHz 和3.5GHz 兩個諧振點，加入短諧振枝節產生2.4GHz 的諧振點，加入長匹配枝節調節低頻1.7GHz 諧振點后移至1.8GHz 處，克服了低頻諧振點因加入短諧振枝節以及耦合的影響出現前移的問題，背面采用2.3mm 寬的反射參考地結構，保證天線各處輻射大小相等，實現全向輻射。設計天線模型如圖2所示。

(a 正面

(b 背面 圖2 天線模型 2.2 模型參數設計

采用聚四氟乙烯材料為介質基板，介電常數（r）為3.5，基板尺寸為53.6mm* 46.7mm*1mm。由式（1）可以計算求得Sierpinski 三角形分形輻射貼片的尺寸如下。初始S i e r p i n s k i 分形單元高度：ant H = 46.7mm 初始S i e r p i n s k i 分形單元寬度：W a n t = 53.6mm 第兩次分形后分形單元的長度：L 1

= 17.1mm，L 2=16.1mm, L3=25.7mm，L 4=12mm 第兩次分形后分形單元的寬度：W 1= 28.6mm，W 2=12.5mm 由微帶貼片理論公式（2）、（3）計算加入短諧振枝節的尺寸如下。短諧振枝節長度：L 5=24.9mm 短諧振枝節寬度：W 4=1mm 通過1/4波長阻抗轉換，加入長匹配枝節的長度為：L 6=34.6mm。

由于受介質均勻性、軟件本身存在的仿真誤差等影響，實際優化長度與理想計算長度會稍有偏差，最終設計天線以實際優化長度為主。3 仿真優化與結果分析

利用三維電磁仿真軟件（Ansoft HFSS15.0）對天線結構、參數和輻射方向性進行仿真分析，仿真結果分別如圖

3、圖4圖5和圖6所示。

圖3為只有分形結構和在分形結構上分別加載短諧振枝節、長匹配枝節時天線諧振點和回波損耗的對比。

圖3加入不同枝節的天線回波損耗

由圖3可知，當僅采用Sierpinski 分形結構時，產生低頻1.7GHz 和高頻3.5GHz 兩個諧振點；加入短諧振枝節，可產生1.65GHz、2.4GHz、3.5GHz 3個

諧振點，與未加枝節時相比，低頻1.7GHz 諧振點的位置發生前移，但產生了新的諧振點；加入長匹配枝節，產生1.8GHz、3.5GHz 兩個諧振點，與加入短枝節相比，低頻諧振點則向后移動，頻點位置有所改善，但并沒有產生更多的諧振點，因此，綜合考慮加入短諧振枝節和長匹配枝節對頻點位置的影響，若同時加入長短枝節則可以實現該天線多頻化、小型化的設計。

圖4為不同的耦合距離對天線諧振點和回波損耗的影響對比圖。

圖4耦合間距的優化

由圖4看出，耦合距離的變化對天線諧振頻率點位置的影響較小，但對回波損耗的大小影響較大，綜合考慮3個頻段的回波損耗，當耦合距離S=0.6mm時，回波損耗在3個諧振點處均達到-25dB 以下，達到最優。

圖5為設計天線同時加入長短枝天線的諧振頻點和回波損耗的變化圖。

圖5有無似對稱枝節的天線結構仿真回波損耗對比

由圖5可以看出，同時加入長短枝節以及耦合后，既增加了2.4GHz 諧振頻率，也改善了低頻1.7GHz 的頻點位置和高頻諧振處的帶寬。

圖6為天線在1.8GHz、2.4GHz 和3.5GHz 3個諧振點的E 面、H 面輻射方向。

(a 1.8GHz

(b 2.4GHz

(c 3.5GHz 圖6 天線的E 面、H 面方向

圖6中，該天線具有良好的全向遠場輻射特性，說明背面采用了較窄的地結構設計該天線保證了天線在遠場區等距離處輻射大小相等，實現全向輻射。將仿真天線模型導出版圖進行加工，加工實物如圖7所示。

(a 正面

(b）背面

圖7天線加工實物 4實測結果與分析

將該天線通過SMA 連接器連接到矢網儀(Agilent Technologies E5071C 300 MHz~20 GHz 進行測試，測試結果如圖8所示。

圖 8 天線測試環境 將圖 8 中測試結果導出并與仿真結果進行對比，對比結果如圖 9 所示。圖 9 天線仿真與測試回波損耗 圖 9 中，天線仿真回波損耗在-10dB 以下的頻段為 1.69GHz~1.85GHz、2.25GHz~2.54GHz、3.27GHz~3.69GHz，測試回波損耗在-10dB 以下的頻段為 1.65GHz~1.83GHz，2.37GHz~4.1GHz。與仿真結果相比，天線測試結果中 1.8GHz 諧振頻點 稍向前偏移，在 2.4GHz 和 3.5GHz 時，測試帶寬與仿真帶寬相比都有所提高，這主要是由 于材料及制作工藝存在誤差引起的，在誤差允許范圍內,實測結果與仿真結果吻合。5 結語 利用分形天線結構的空間填充性和自相似性的優點實現了天線的小型化設計，通過加 入諧振枝節和匹配枝節實現了天線的多頻化設計。采用三維電磁仿真軟件（Ansoft HFSS15.0）進行仿真，并將該天線通過 SMA 連接器連接到矢網儀(Agilent Technologies E5071C

300 MHz~20 GHz進行測試，仿真和測試天線回波損耗在-10dB 以下的頻率范圍均 覆蓋了 GSM1800（1710MHz~1850 MHz）、ISM（2.4GHz）、WIMAX(3.3GHz ~3.6GHz頻段，實現了該多頻化、小型化微帶天線的設計。

第二篇：毫米波天線自動測試系統設計 豆丁網概要

收稿日期：05.8.31毫米波天線自動測試系統設計

張偉

孫厚軍 何巍

北京理工大學 100081 [摘要]本文提出了一種毫米波天自動線測試系統。通過自行設計關鍵部件，降低了天線自動測試系統的成本。本文對測試系統發射與接收系統進行了詳細論述，并給出了軟件控制流程。[關鍵詞] 毫米波天線，自動測試

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

毫米波技術是當今的一個重要發展方向，在國防及民用方面具有重要的應用。天線是毫米波系統的重要組成部分，因此開發毫米波天線的測試系統非常有必要。由于毫米波信號源、頻譜儀等設備均很昂貴，因此單純由儀器搭建毫米波天線測試系統成本非常高。我們通過毫米波器件等設計出了一套毫米波天線自動測試系統，可以大大降低系統成本，且能夠實現天線測試任務。毫米波天線自動測試系統組成

天線測試就是采用實驗的方法來測定和檢驗天線的方向性、參數特性。天線的特性參數中，方向圖特性尤為重要，而天線的增益、相位、極化等特性可由完整的方向圖中導出，所以天線方向圖測量是天線測量中最為重要的環節。本文所設計的毫米波天線測試系統測試對象為中心頻率為35GHz的毫米波天線，測試帶寬為2GHz，其組成原理框圖如圖1所示。

待測天線轉臺發射天線接收部分發射部分轉臺控制與數據處理 暗室

圖1 毫米波天線測試系統原理框圖

發射天線固定不動，而待測天線受轉臺控制，可以在方位、俯仰兩維旋轉，天線方向圖的測量是通過天線的旋轉，連續地測量接收回波幅值來進行。為了測量天線增益，可在測待定天線前，先安裝已知增益的標準天線，轉臺不旋轉，由天線測試儀測量其輸出信號幅值，作為基準。在安裝待測天線后測得的數據與其進行比較，則可求得每個方向角度下天線的近似增益。

毫米波天線自動測試系統主要分為三個組成部分：發射接收部分，轉臺及控制部分，數據處理及顯示部分。發射接收部分主要完成毫米波信號的產生與發射，待測天線接收信號的放大、濾波、混頻等；轉臺及控制部分包括轉臺、轉臺控制步進電機、步進電機控制系統；數據處理及顯示部分包括信號采集卡、數據處理及顯示軟件等。毫米波天線測試系統發射接收機設計

天線測試系統發射接收機原理框圖如下：

2GHzDDS控制信號點頻源發射天線DDS濾波脈沖調制器濾波16倍頻待測天線1。90625GHzDDS控制信號點頻源低噪聲放大器DDS濾波脈沖調制器濾波16倍頻數據處理I/Q解調中頻放大濾波100MHz

圖2 毫米波天線測試系統收發機原理圖

中頻信號源由DDS產生，由DDS產生的中頻信號在與固定2GHz點頻混頻之后，經脈沖調制輸出得到射頻脈沖，經濾波放大后進行16倍頻之后即產生毫米波發射信號。接收信號源也由DDS產生與發射DDS相同的點頻信號與固定1.90625GHz 點頻信號混頻，然后16倍頻后輸出。接收天線在接收到發射天下發射過來的信號之后經接收機放大并與接收信號源進行下變頻，這樣產生與發射信號差100MHz的中頻信號，經濾波、放大之后與100MHz本振進行混頻并解調，產生視頻信號。然后由A/D信號采集卡采集后進行處理與顯示。這里由于發射、接收機有一定距離，故無法使用同一個信號源，而是采用了同樣的兩個信號源模塊。

DDS產生的中頻信號由125MHz向250MHz跳頻，每6.25MHz跳一個點，共20個頻點。通過混頻與倍頻，可產生34GHz到36GHz范圍內的20個點頻信號，每隔0.1GHz一個頻點。在每個方向角度下，對20個頻率點下的接收信號都進行存儲，當所有角度下的測試數據存儲完后進行處理，就可以得到每隔0.1GHz的34GHz－36GHz的天線方向圖數據。

本系統中，DDS選用AD公司的AD9858芯片，控制采用FPGA實現，通過FPGA往DDS中加載不同的控制字，實現跳頻信號。控制轉臺與數據處理系統設計

天線方向圖的測量就要求天線做一定角度的步進旋轉，這可由計算機控制轉臺實現。通過計算機向步進電機驅動器發送不同的指令，控制步進電機的步進旋轉，從而使天線按指定的規律運動。轉臺控制器可與數據處理系統合成為一塊電路板，根據天線測試的時序來實現不同的任務。

數據采集由PC機內的數據采集卡實現。我們所設計的數據采集卡基于PCI總線，采用雙路12位AD采集I、Q數據，每個角度下存儲20個頻點接收數據，并通過PCI總線傳送至計算機內存。當采集完所測的角度范圍后，通過數據處理，將方向圖在顯示器上進行顯示。軟件控制流程圖如下：

開 始數據采集系統初始化測試系統收發機開始工作接收當前角度下的數據接收當前頻點數據否采完20個頻點否？是將20個頻點數據存儲控制轉臺到下一角度所有角度測完否？測試數據處理結果顯示

圖3 毫米波天線測試系統工作流程 結束語

本文提出的毫米波天線自動測試系統主要針對天線方向圖進行測試，其他如駐波比等參數還未加以考慮。因此要實現完善的天線測試系統，還要做很多進一步的工作。

[參考文獻] [1]毛乃宏，俱新德等.天線測量手冊[M].北京：國防工業出版社，1987.[2]朱友良.PC式衛星天線測試儀的設計與實現.計算機應用與軟件.2005年第7期.[3]常樹茂，何星馀.DM型制導天線自動測試系統.測控技術學報.1996年第2期.

第三篇：第八章 電磁能量輻射與天線概要

第八章 電磁能量輻射與天線

習題8.1

一長為20m的發射天線，在頻率f?1MHz時，可視為單元偶極子天線，設天線上電流振幅的有效值為2.5?A，求天線的輻射電阻Rrad和輻射功率P。如頻率變為f?100kHz，其他參數不變時，輻射電阻和輻射功率又為多少?

題意分析：

單元偶極子天線輻射電阻和輻射功率是天線特性的重要參數，必須掌握。解：

當f?1MHz時

自由空間中電磁波的傳播速度為光速c

所以，電磁波的波長：

c3?108

????300（m）6f1?10天線的輻射電阻：

Rrad?80?2(天線的輻射功率：

P?I2Rrad?(2.5?10?6)2?3.5?2.19?10?11（W）

當f?100kHz時：

電磁波的波長：

c3?108

???（m）

?300 03f100?10?l?)2?80?2(202)?3.5（?）300天線的輻射電阻：

Rrad?80?2(天線的輻射功率：

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）

從本題的分析可以看出：當激勵電流和單元偶極子天線尺寸不變時，信號的頻率越高，輻射功率越大。輻射電阻Rrad表征了單元偶極子天線輻射電磁能量的能力，Rrad越大，輻射能力越強。

習題8.2

一單元偶極子天線位于坐標原點，離天線較遠處測得天線激發的電磁波的場強為：

?sinθr?E(r,t)?E0sin?ω(t-rc???)?eθV/m ?式中c為真空中的光速。求天線輻射的平均功率。

題意分析：

由題意，測量點距天線距離較遠，本問題研究的是單元偶極子天線的遠區場問題。遠區場是橫電磁波（TEM波），電場強度和磁場強度在空間相互垂直，且與傳播方向垂直，三者滿足右手螺旋定律。在研究遠區場時，天線的尺寸相對于源點到場點的距離很小，可以忽略天線尺寸的影響，因此建立如圖所示球坐標系。

zP?er?e??e??S?E?Hoyx

圖8.2.1 場點P處電場強度，磁場強度以及坡印廷矢量方向關系

解：

根據場量與波阻抗的關系，可得磁場強度為：

??E?Esin?r???

H(r,t)?H?e???e??0sin?ω(t-)?e?（A/m）

Z0Z0rc??相位系數的定義式：

??表達式中ω(t-2???2?f?? ?fcr)項可以寫成ωt-?r，這樣就與標準表達式統一起來了。c電場強度的相量形式：

?1sinθ?j?r??

E?(。E0e)e?（V/m）

r2磁場強度的相量形式：

?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，即將坡印廷矢量平均值Sav在球坐標系中進行閉合面積分：

2??2??E2sin2?2EP??Sav?dS???0rsin?d?d??0（W）2S002Z0r90

第四篇：微波天線仿真設計實驗

基于HFSS的微帶天線仿真設計 1 概述

目前，在許多應用場合（如移動通信手機中）都需要體積小、重量輕的小型接收天線。微帶貼片天線代表一系列的小型天線，以其剖面低、重量輕的優點而成為人們的首選。通過采用簡單明了的傳輸線模型，建立微帶線嵌入饋電貼片天線的精確模型并對之進行分析已成為可能。另外，通過應用曲線擬合公式，也可以確定50Ohm輸入阻抗所需的精確嵌入長度。饋電機制在微帶貼片天線設計中扮演了重要角色。微帶天線可以由同軸探針或嵌入的微帶線來饋電，同軸探針饋電在有源天線應用中具有優勢，而微帶線饋電則是適合于開發高增益微帶陣列天線。

在一個薄的介質基板上，一面覆上金屬薄層作為接地板，另一面采用刻蝕地方法做出各種形狀的貼片，利用微帶或者同軸對貼片進行饋電，這就是最基本的微帶貼片天線。它在導體貼片和接地板之間激勵起電磁場，并通過貼片與接地板的縫隙向外輻射。

天線分析的基礎問題是求解天線周圍空間建立的電磁場，進而得出方向圖增益和輸入阻抗等特性指標。如下圖1，圖2所示。

圖1 矩形微帶天線開路段電場結構

圖2 場分布側面圖 天線基礎

天線的性能直接影響著整個無線通信的性能，一般來說，表征天線性能的主要參數有方向特性、增益、輸入阻抗、駐波比、極化特性等。

2.1 天線的極化方式

所謂天線的極化，就是指天線輻射時形成的電場強度方向。根據極化方向可分為垂直極化波和水平極化波。

(1)水平極化波：當電場強度方向平行于地面形成的波。由于電波的特性，決定了水平極化傳播的信號在貼近地面時會在大地表面產生極化電流，極化電流因受大地阻抗影響產生熱能而使電場信號迅速衰減。

(2)垂直極化波：當電場強度方向垂直于地面形成的波。垂直極化方式則不易產生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號的有效傳播。

2.2 天線的增益

天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發信號的能力，它是選擇基站天線最重要的參數之一。

一般來說，增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的輻射性能。表征天線增益的參數有dBd和dBi。DBi是相對于點源天線的增益，在各方向的輻射是均勻的；dBd相對于對稱陣子天線的增益dBi=dBd+2.15。相同的條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠。一般地，GSM定向基站的天線增益為18dBi，全向的為11dBi。

2.3 天線的阻抗

天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時饋線終端沒有功率反射，饋線上沒有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。

天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。匹配的優劣一般用四個參數來衡量即反射系數，行波系數，駐波比和回波損耗。

駐波比：它是行波系數的倒數，其值在1到無窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。

回波損耗：它是反射系數絕對值的倒數，以分貝值表示。回波損耗的值在0dB的到無窮大之間，回波損耗越大表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射，無窮大表示完全匹配。在移動通信系統中，一般要求回波損耗大于14dB。

2.4 天線的波瓣寬度

波瓣寬度是指天線的輻射圖中低于峰值3dB處所成夾角的寬度（天線的輻射圖是度量天線各個方向收發信號能力的一個指標，通常以圖形方式表示為功率強度與夾角的關系）。

(1)垂直波瓣寬度：一般與該天線所對應方向上的覆蓋半徑有關。因此，一定范圍內通過對天線垂直度（俯仰角）的調節，可以達到改善小區覆蓋質 量的目的。

(2)水平波瓣寬度：水平平面的半功率角（H－Plane Half Power beamwidth）45°,60°,90°等)定義了天線水平平面的波束寬度。角度越大,在扇區交界處的覆蓋越好，但當提高天線傾角時，也越容易發生波束畸變,形成越區覆蓋。角度越小，在扇區交界處覆蓋越差。

3矩形貼片的設計

矩形貼片是微帶貼片天線最基本的模型，本設計就是基于微帶貼片天線基礎理論以及熟練掌握HFSS10仿真軟件基礎上，設計一個矩形貼片，其工作頻率在2.45GHz，并分析其遠區場輻射特性以及S曲線，3.1 設計目的

(1)學習設計微帶天線的設計方法；

(2)掌握矩形貼片的設計方法及其遠區輻射場的特性以及S曲線；(3)掌握HFSS10仿真軟件的使用。

3.2 矩形微帶貼片天線的輻射原理

如圖3所示，用傳輸線模分析法介紹它的輻射原理。

設輻射元的長為L，寬為ω，介質基片的厚度為h。現將輻射元、介質基 片和接地板視為一段長為L的微帶傳輸線，在傳輸線的兩端斷開形成開路，根據微帶傳輸線的理論，由于基片厚度h<<λ，場沿h方向均勻分布。在最

簡單的情況下，場沿寬度ω方向也沒有變化，而僅在長度方向（L≈λ/2)有變化。

在開路兩端的電場均可以分解為相對于接地板的垂直分量和水平分量，兩垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，兩水平分量電場所產生的遠區場同向疊加，而兩垂直分量所產生的場反相相消。因此，兩開路端的水平分量可以等效為無限大平面上同相激勵的兩個縫隙，縫的電場方向與長邊垂直，并沿長邊ω均勻分布。縫的寬度△L≈h，長度為ω，兩縫間距為L≈λ/2。這就是說，微帶天線的輻射可以等效為有兩個縫隙所組成的二元陣列。

圖3 矩形貼片天線示意圖

3.3 矩形貼片天線的仿真設計

1．建立新的工程 2．設置求解類型 3.設置模型單位

4．創建微帶天線模型

(1)創建地板GroundPlane。尺寸為90mm*90mm，并設置理想金屬邊界。

(2)建立介質基片。尺寸為45mm*45mm*5mm。將材料設置為Rogers R04003。(3)建立貼片Patch。尺寸為：32mm*32mm，并設置理想金屬邊界。

(4)創建切角。首先在坐標原點處創建三角形，然后將其移動到方形貼片的頂點處。輸入點的坐標：X：0，Y：0，Z：5；X：5，Y：0，Z：5； X：0，Y：5，Z：5；X：0，Y：0，Z：5。通過旋轉180度創建另一個切角。(5)用Patch將切角減去。(6)創建探針Pin。圓柱中心點的坐標：X：0，Y：8，Z：0；輸入圓柱半徑：dX：0, dY：0.5，dZ：0；輸入圓柱的高度： dX：0，dY：0，dZ：5。材料設置為pec。

(7)創建端口面Port。圓心點的坐標：X：0，Y：8，Z：0，半徑為：dX：0，dY：1.5，dZ：0。

(8)用GroundPlane 將Port減去。

5.創建輻射邊界

創建Air，尺寸為：160mm*160mm*70mm。輻射邊界命名為Rad1。

6．設置端口激勵

端口命名為p1。在Modes 標簽中的Integration line zhong點擊None，選擇New Line，在坐標欄中輸入：X：0，Y：9.5，Z：0；dX：0，dY：-1，dZ：0，按回車鍵，點擊Next按鈕直至結束。

7．求解設置

為該問題設置求解頻率及掃頻范圍

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

(2)設置掃頻。掃頻窗口中做以下設置：Sweep Type：Fast；Frequency Setup Type：Linear Count；Start :2.0GHz；Stop：3.0GHz；Count：400；將Save Field復選框選中。8.設置無限大球面

在菜單欄中點擊HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere。在Infinite Sphere標簽中做以下設置：Phi：Start：0 deg，Stop：180deg，Step：90 deg；Theta：Start：0 deg，Stop：360 deg，Step：10 deg。

9.確認設計 10.保存并求解工程 11 后處理操作

(1)S參數（反射系數）。

繪制該問題的反射系數曲線，該問題為單端口問題，因此反射系數是s11。點擊菜單欄HFSS>Result>Create Report。選擇：Report Type：Modal S Parameters ；Display Type：Rectangle。Trace窗口：Solution：Setup1:Sweep1； Domain：Sweep 點擊Y標簽，選擇：Category：S parameter；Quantity：S（p1，p1）；Function：dB，然后點擊Add Trace按鈕。點擊Done按鈕完成 操作，繪制出反射系數曲線。

(2)2D輻射遠場方向圖。

在菜單欄點擊HFSS>Result >Create Report。選擇：Report Type：Far Fields；Display Type：Radiation Pattern。Trace 窗口：Solution：Setup1：LastAdptive；Geometry：ff_2d。在Sweep標簽中，在Name這一列中點擊第一個變量Phi，在下拉菜單中選擇The。點擊Mag標簽，選擇：Category ：Gain；Quantity：GainTotal；Function：dB,點擊Add Trace按鈕。最后點擊Done，繪制出方向圖。結果分析

4.1 對探針位置的探討

地板長、寬、高分別為： dX：90，dY：90，dZ：0。

介質基片長、寬、高：dX：45，dY：45，dZ：5；材料為Rogers R04003。貼片Patch長、寬、高： dX：32，dY：32，dZ：0。

4.1.1探針在Y軸

探針中心點的坐標：X：0，Y：8，Z：0；半徑：dX：0, dY：0.5，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料設置為pec。模型如圖4所示：

圖4 矩形貼片天線3D模型(探針在Y軸)

(1)反射系數曲線

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制反射系數曲線，如圖5所示。

圖5 反射系數圖（Y軸）

(2)2D輻射遠場方向圖

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制2D輻射遠場方向圖，如圖6所示。

圖6 2D輻射遠場方向圖（Y軸）分析： 當探針在Y軸上時，回波損耗在13.8dB左右，工作頻帶在2.35GHz-2.47 GHz。

由遠場方向圖可看出，有一個小的背瓣。頻點在2.42 GHz左右，不在2.45 GHz，因此需要進行優化。

4.1.2 探針位置在X軸上

探針中心點的坐標：X：8，Y：0，Z：0；半徑：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料設置為pec。模型如圖7所示：

圖7 矩形貼片天線3D模型(探針在X軸)

(1)反射系數曲線

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制反射系數曲線，如圖8所示。

圖8 反射系數圖（X軸）

(2)2D輻射遠場方向圖

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制2D輻射遠場方向圖，如圖9所示。

圖9 2D輻射遠場方向圖（X軸）

分析：當探針在X軸上時，回波損耗也在13.8dB左右，工作頻帶在2.37GHz-2.48 GHz。

由遠場方向圖可看出，有一個小的背瓣。頻點在2.43 GHz左右，不在2.45 GHz.說明此位置仍不是最佳位置。

4.1.3 探針在對角線位置上 探針中心點的坐標：X：-4.2，Y：4.2，Z：0；半徑：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料設置為pec。模型如圖10所示：

圖10 矩形貼片天線3D模型(探針在對角線軸)(1)反射系數曲線

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制反射系數曲線，如圖11所示。

圖11 反射系數圖（對角線）

(2)2D輻射遠場方向圖

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制2D輻射遠場方向圖，如圖12所示。

圖12 2D輻射遠場方向圖（對角線上）

分析：當探針在對角線上時，回波損耗為-29dB，頻點恰好在2.45GHz，工作頻帶在2.43GHz-2.47GHz工作特性很好，可知工作頻帶很窄。由遠場圖可知，此位置仍有一個小的背瓣。

因此，探針在這個工作特性很好，但工作帶寬有點窄。探針中心點的坐標：X：8，Y：8，Z：0；半徑：dX：0.5, dY：0，dZ：0； 高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料設置為pec。模型如圖13所示：

圖13 矩形貼片天線3D模型(探針在對角線軸)

(1)反射系數曲線

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制反射系數曲線，如圖14所示。

圖14 反射系數圖（對角線）

(2)2D輻射遠場方向圖

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制2D輻射遠場方向圖，如圖15所示。

圖15 2D輻射遠場方向圖（對角線上）

分析： 當將探針設置在此位置時，回波損耗在-14.3dB左右，頻帶寬度在2.40 GHz-2.49GHz,頻點正好在2.45GHz。

由遠場方向圖可知，在此位置有一個小的背瓣。

探針在這個位置工作特性很好，工作頻帶也較寬。此外還可知在對角線上越靠近中心，天線性能越好。

4.2 改變貼片尺寸

地板長、寬、高分別為： dX：90，dY：90，dZ：0。

介質基片長、寬、高：dX：45，dY：45，dZ：5；材料為Rogers R04003。貼片Patch長、寬、高： dX：31.7，dY：31.7，dZ：0。

探針中心點的坐標：X：8，Y：0，Z：0；半徑：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料設置為pec。模型如圖16所示。

圖16 矩形貼片天線3D模型(貼片尺寸改變)(1)反射系數曲線

仍在上述所設求解頻率和掃頻的條件下，繪制反射系數曲線，如圖17所示。

圖17 反射系數曲線（貼片尺寸改變）

(2)2D輻射遠場方向圖

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制2D輻射遠場方向圖，如圖18所示。

圖18 2D輻射遠場方向圖（貼片尺寸改變）

分析： 當其他條件不變，改變貼片尺寸（由32mm*32mm改為31.7mm*31.7mm）時，回波損耗在-12.5dB左右，頻帶寬度在2.39 GHz-2.50GHz,頻點正好在2.45GHz。

由遠場方向圖可知，在此位置仍有一個小的背瓣。探針在這個位置（X軸）工作特性不錯，工作頻帶也較寬。

4.3 改變探針半徑

在4.2的基礎上，將探針半徑改為0.4mm，其他條件不變，則所形成的反射系數圖和2D輻射遠場方向圖如圖19，圖20所示。

圖 19 反射系數圖曲線（探針半徑0.4mm）

圖20 2D輻射遠場方向圖(探針半徑0.4mm)分析：① 在上一步的基礎上，改變探針半徑（由0.5mm改為0.4mm）時，回波損耗在-14.1dB左右，頻帶寬度在2.40 GHz-2.52GHz,頻點正好在2.46GHz。

② 由遠場方向圖可知，在此位置仍有一個小的背瓣。

③ 此時，探針不在工作頻點，可知探針半徑太小，但由上研究可知，半 徑在稍微改大一點應該可以使探針工作在2.45 GHz（這個問題由于時間問題沒研究）。

總結：

① 當頻率低于工作頻點時，優化天線的措施有：改變探針位置、探針半徑、貼片尺寸等，均可以使其工作在頻點（如2.45GHz）。

② 對于矩形貼片可知：當探針在坐標軸上時，天線性能不是很理想；當在對角線上時，天線的性能較理想，工作頻帶較在坐標軸的位置要窄，而且探針在對角線上靠近中心的位置上，天線的性能更好。

③ 當改變探針半徑時，半徑減小，工作頻率變大。通過調整可以使貼片工作在頻點。設計體會

微波課設在短短的幾天時間里完成了。首先非常感謝老師以及各位學長的幫助和指導。

由于老師已經在指導書上列出了很詳細的操作步驟，設計思路都體現在里面，因此這次課設上手還是很快的。這使我們能夠很快的把握住設計思路，進一步學會如何利用HFSS10這款軟件設計微帶天，并通過所形成的遠區輻射場圖和S曲線分析矩形微帶天線的特性。學習將基礎的理論知識應用到微帶天線的實際設計中。做完之后再回頭想一下，按照公式計算出來的矩形天線的參數運用到實際時，并不能使天線達到理想的輻射狀態。這可能是由于一些共識的近似表示以及實際天線所處環境等因素造成。由此可知，在具體設計微帶天線時要根據實際的情況對天線進行優化處理，使其達到理想輻射特點。當然在做實驗時并不是特別順利，所幸的是，在老師和幾位學長的幫助指導下解決了，并從中學到很多東西。

此外，在這次課設中同學間的配合也是相當重要的。每個學生對老師課堂所講的內容的接收程度不同。只有同學間的相互配合，提出問題，然后討論最后解決，才能使課設結果達到更好的效果。參考文獻

《微波天線與技術》 西安電子科技大學出版社 劉學觀 郭輝萍 編著。

第五篇：教學設計概要

第四講教學設計概要

萬事預則立，不預則廢。

不管是課堂革命還是課程改革，不管是三維目標還是核心素養，都離兩個環節：備課和上課。

在建筑行業，建筑設計師比現場施工經理的地位要高，因為設計比施工更重要、更專業。在教學領域，同樣是備課比上課更重要，備課準備充分了，上課就差不到哪里，二者價值應該說是三七開。不過，在中小學，備課與上課基本上一個人實施，不少教師更重視上課。

備課如此重要，因此，不管什么改革，都繞不開備課這一重要環節。

我國目前大部分教師使用的備課模型是簡陋的，還是幾十年前的凱洛夫模型：教學目標、教材分析、學情分析、教學重難點、教學用具、教學過程等。用這樣的模型不能適應核心素養時代的需要。

因此，教師專業化首先要做到備課專業化。本篇以問答的方式來回答什么是專業化備課的基本問題。

一、備課的專業說法是什么？

備課的專業說法是教學設計。

教學設計是創建教學系統的過程（加涅）。

要理解教學設計，就先得理解什么是教學、什么是教學系統、什么是設計。學生可以從教中學、育中學、養中學、做中學。從教中學，就簡稱為教學，教學設計的祖師爺加涅是這樣定義教學的：教學是嵌于有目的活動中的促進學習的一系列事件（加涅）。簡單來說，就是有目的有計劃促進學習的活動。

教學系統是用于促進學習的資源和程序的安排。（加涅）設計簡單的定義是：有目的的創作行為。直白的說，就是“設計是一個使夢想變成現實的過程。”

教學設計是以學習者的學習為中心的，因此，也可以稱之為學習設計。

加涅認為不存在唯一最佳教學設計模型，但不管什么模型方法都有如下基本的共同假設。

第一個假設，教學設計必須以幫助學習者學習而不是教學過程為目的。教學設計必須建立以學習者學習為中心的理念，同時教學設計也是以有目的的學習而不是“偶然”學習為目的。

第二個假設，教學設計必須基于學習原理。教學設計運用學習原理為設計學習事件和學習過程。比如，依據工作記憶容量是有限的這個原理，在教學設計時，我們就需要設計PPT或板書來減輕認知負擔。

第三個假設，教學設計要關注的因素非常多，因為學習是受許多變量影響的復雜過程，這就決定了教學設計的復雜性。例如，如果不考慮學習者的動機和原有知識水平，則高質量的教學不可能是有效的。

第四個假設，教學設計是一個系統化的過程。教學設計是由一系列相關的、可識別的子過程組成，比如確定預期的結果、選擇教學方法、開發學習材料、設計練習、評價與反饋等。要以系統論觀點對這些過程步驟進行有序安排、建立結構。

第五個假設，教學設計是一個反復迭代的過程。并不能指望一次形成一個完美的教學設計。不將學習者包括在設計過程中就不是完整的教學設計。必須利用學習者來對教學設計進行檢驗，以便決定什么可行、什么不可行。教學設計是在實踐中持續完善的過程。因此，設計者并不設計完美的教學，他們只是使教學設計趨于完美，教學設計永遠走在改進的路上。

第六個假設，不同的類型的學習結果需要不同類型的教學。比如，概念、原理、技能、能力等教與學的方式是不一樣的，即使是概念，不同概念類型教學方式也是不一樣的。例如，不讓學生參與到問題解決過程就不可能形成問題解決能力的。

第七個假設，教學設計有多種設計水平上的運用。有針對一節課的教學設計、有針對一個單元的教學設計、有針對一個項目的教學設計、有針對一個學期的教學設計、有針對一門課程的教學設計。中小學教師大多針對一節課或一個單元的教學設計。

第八個假設，系統的教學設計能極大地影響個人的發展。人可以從教中學、育中學、養中學、做中學。某些人本主義教育家認為：“好的教育只為受教育者提供養育作用的環境，讓學生在其中以他們自己的方式成長，不必外加任何計劃去指引他們的學習。”加涅反對這種觀點，認為“教學設計的基本原因是要確保沒有一個人是教育上的不利者，并確保所有學生都有最充分地運用自己潛能的平等機會。”系統的教學設計能大大提高學習質量。

二、教學設計需要哪些支撐？

要掌握教學設計是一件非常復雜的事情，除了教育學、心理學、教學論、教育心理學等知識外，還要專門學習教學設計的知識，如果要跟上當前課程改革的形勢，還要理解核心素養和了解項目式學習等新的教學方式。

要理解教育與學習之間的關系，涉及教育學、教育哲學等。

要知道學生是如何學習的，學習的過程是怎樣，涉及到學習科學、腦科學、教育心理學。

要知道學習內容的分類，不同的學習內容的不同學習方式和教學策略，涉及教育目標分類學。

要理解課堂的教學活動和教學模式。

要知道教學設計的基本模型，掌握教學設計的基本方法。對本學科要有充分的理解，并且對相關學科也要有一定的了解，要有豐富深刻的學科知識。

要理解當下教育改革去向，理解什么是核心素養，核心素養如何在教學設計中得到充分的體現。

要掌握以上內容，建議閱讀以下書目：

《認知心理學及其啟示》（約翰。安德森），從認知神經科學的角度研究認知的過程。《人是如何學習的：大腦、心理、經驗及學校》，集成了學習研究的新成果。

《教育心理學：理論與實踐》（羅伯特。斯萊文）、《當代教育心理學》（陳琦），依據心理學研究為教學提供理論基礎和實用教學策略。

《學習的條件與教學論》（加涅）、《學習、教學和評估的分類學》（安德森）、《學習心理學》（王小明），這些著作對學習和知識進行分類，并對每種類型提供相應的學習方式和教學策略。

《提高學生學習效率的九種教學方法》（賽瑞迪因），《深度學習的7種有效策略》、《聰明教學七原理》（蘇珊。安布羅斯），這些著作是學習策略、學習活動的。

《聚焦五星教學》（盛群力編）、《教學模式》（布魯斯。喬伊斯），這些著作是研究課堂教學結構。

《教學設計原理》（加涅）、《系統化教學設計》（迪克）、《追求理解的教學設計》（格蘭特。威金斯）、《現代教學設計》（皮連生），這些著作是研究如何做教學設計的。

要做好教學設計，學科知識還要進一步學習和理解，要閱讀教材教參、學科史、學科教學心理學等方面書籍。

要讀這么多書就不容易了，更不容易的是，如何把這些理論知識如何運用到教學設計中去，設計出一個完整的教學設計，這才是更難的事情。

所以，學習教學設計最好的辦法是在做中學，要用融合式學習的方法來學。

教學設計是一個系統的過程，是一個結構化過程，有結構就有模型。因此，學教學設計從教學設計模型開始。最經典的教學設計是加涅提出的：ADDIE模型。

三、什么是ADDIE模型？

教學設計是創建教學系統的過程，因此，教學設計也稱之為教學系統設計。加涅把這個過程分為了分析（analysis）、設計(design)、開發(development)、實施(implementation)、評價(evaluation)五個階段，簡稱ADDIE模型。做教學設計，必須要知道ADDIE，否則就是笑話，如同學物理學的人一定要知道牛頓三大定律一樣。

這里需要指出的是，實施也是設計的一個階段，是因為加涅認為教學設計是一個反復迭代的過程，需要在實施中檢驗、在實施中獲得反饋。

分析是教學設計的開始。如果我們要設計一座住宅，就必須考慮住宅的用途、居住者的性質及其需要、預算、時間限制和必須的資源。同樣，我們在做教學設計時，也要考慮為什么要學習這個內容、學什么內容、學習者做好學習的準備了嗎、學習需要的資源和限制條件等。

分析階段是為設計階段中的決策提供重要的支持性信息。因此，分析階段是很重要的，也是最容易被忽略的步驟。因為大家都想直接進入更具樂趣和創造性的設計階段。而分析不足是大多數教學失敗的通病，所以要認真進行分析。

設計是研究怎么學的階段，對學習資源和學習事件進行有效的安排，目的是得到具體的教學方案和學習方案。設計環節包括：把課程目標為學習目標、把單元分解為課或學習活動、安排學習活動和配置教學策略、設計評估學生學習達成狀況等。

設計是一個復雜的、充滿挑戰性過程，既需要堅實的理論基礎、掌握過硬的教與學技術、又需要靈感和洞察力，這才能設計出有趣有效有價值的學習方案。

開發就是準備學習材料。根據設計的要求，開發教師教的材料和學生學習的材料，包括開發教學素材、制作評估表格、開發作業、開發學案、制作PPT等。

實施就是上課，把設計好的東西如何在課堂上呈現出來。實施主要包括：課前準備、教學基本功、教學策略的執行、課堂管理、課堂文化建設和動機激發等。

評價是ADDIE模型的最后一個階段。評價分為形成性評價和總結性評價。形成性評價是對整個教學設計的各個階段進行評價，旨在改進在下的教學設計或者為未來的教學設計留下經驗。因此，形成性評價不是實施完后再來進行評價，而是邊設計可以邊評價邊修改。形成性評價的實施主體是教學設計者本人。總結性評價是在教學設計流程結束后進行的評價，旨在確定是否達成既定目標，總結性評價主體既可以是設計者本人也可以是他人。

教學設計模型有幾十個，但ADDIE模型是目前最著名、使用最廣泛的教學設計模型，其他大部分模型都在ADDIE模型的基礎上發展起來，因此ADDIE模型稱之為模型中的模型。