《天線與電波傳播》課程的教改實踐

摘要：作為通信工程專業的一門必修課，《天線與電波傳播》在教學過程中存在學生學習興趣不高、無法正確把握該課程在無線通信領域的地位與作用等問題。為改善這一問題，筆者在《天線與電波傳播》的教學過程中，通過增加實驗教學環節，充分利用多媒體教學手段，激發了學生的學習興趣，強化了學生對基礎理論和基本概念的理解，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：天線；電波傳播；實驗教學；多媒體；教改實踐

中圖分類號：G632.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）05-0024-03

引言：

《天線與電波傳播》課程是通信工程專業的一門必修課程，也是電磁場理論的后續專業基礎課。在該課程的教學過程中，筆者發現學生的學習興趣普遍不高，對基礎理論的推導有畏難情緒，無法正確把握該課程在無線通信中的重要地位。筆者嘗試開展天線測量實驗，利用多媒體動畫三維顯示的方法來激發學生的學習興趣，提高了學生對天線和電波傳播知識的認知能力，取得了較好的教學效果。現就該課程的基本情況和所做的教改實踐加以介紹。

1 天線與電波傳播課程特點

該課程圍繞天線與電波傳播兩大內容展開，在無線通信系統中分別起到發射/接收和傳播的作用。該課程的先修課程為電磁場與波，需要學生預先具備電場、磁場、電磁輻射的基礎理論知識。與電磁場與波課程相比，該課程注重理論與實踐相結合。在天線基礎理論和電波傳播基本分析方法的基礎上，該課程講授各種主要類型的線天線、面天線和各種電波傳播方式。在此基礎上，講授“地面移動通信中接收場強的預測”這一實際應用問題。

本課程的內容包括多種類型的天線形式及其輻射特性分析方法，內容比較廣泛，理論性較強。該課程要求學生能夠熟練運用電磁輻射傳播理論和矢量代數運算方法解決天線輻射和電波傳播中的具體問題。

2 實驗教學實踐

為改善教學效果，筆者嘗試運用天線測量實驗和多媒體動畫演示等方法激發學生的學習興趣，將天線輻射特性分析的基本概念融合到具體的測量實驗中，同時利用多媒體的三維動態顯示手段，加深學生對天線輻射特性和電波傳播基礎知識的理解。

2.1天線測量實驗教學

筆者所在學院建立了“電磁場與波和天線原理”實驗室，實驗室配備了場強儀、矢量網絡分析儀、八木天線、振子天線、對數周期天線、RFID天線等儀器設備。筆者運用這些設備開展了天線輻射特性的測量、天線輸入阻抗和駐波比的測量等實驗項目。

在天線輻射特性測量實驗中，學生將八木天線固定在三腳架上，輸出端連接場強儀，通過轉動八木天線來測量周圍空間的電磁波信號，讀取場強儀上的場強值，通過換算再繪制八木天線的方向圖。在該實驗的進行過程中，首先讓學生建立起復雜電磁環境的概念。隨著現代通信技術的飛速發展，各種類型的通信設備研制并投入使用，使得各種制式、各個頻段的電磁波信號在空間輻射傳播，構成了空間的復雜電磁環境，自由空間中存在著多種多樣的電磁信號。其次，加深學生對頻段這一概念的理解。待測信號為移動電視信號，需要將場強儀上的頻率值調諧到移動電視信號的頻率上才能正確接收并讀取數據。有的實驗小組就自主地將實驗設備移至空曠的區域，獲得了較好的實驗結果。此外，在進行該實驗的過程中，筆者強調了極化、E面方向圖、阻抗匹配的基本概念，使學生將理論知識與實驗操作相結合，加深了對電磁波輻射傳播基本概念的理解。

在天線輸入阻抗和駐波比測量實驗中，筆者首先簡要講解了矢量網絡分析儀的基本原理，介紹了微波網絡的基礎知識，引導學生將天線視為一個單端口器件。該單端口器件與外部電路構成發射（接收）模塊，與傳輸媒質（空氣）共同構成無線通信的信號鏈路。然后結合實際操作講解了矢量網絡分析儀的校準方法，并指導學生動手對多種類型的天線進行測量。在測量的過程中，學生發現如果將測試頻率設置為默認的300kHz-3GHz頻率范圍，則測量結果（輸入阻抗、駐波比）在整個頻率范圍變化很大。此時，筆者引導學生與課堂教學中的理論知識相對應。課堂教學中，通過理論推導獲得了對稱振子的輸入阻抗表達式。該表達式是關于振子長度、半徑、波數和工作波長的函數。在不同的工作頻率上，輸入阻抗的值是不同的。此處學生通過實測結果加深了這一概念，引導學生深入理解天線工作頻率的意義。在測量過程中，有的學生直接用手握住天線的輻射端，造成測試數據不穩。筆者及時加以指導，結合課堂教學中的天線近/遠場概念和天線輻射的基本原理引導學生思考這一現象的原因。

在實驗教學環節，學生表現出了濃厚的學習興趣和強烈的求知欲。在做實驗的過程中，筆者不斷加以引導，使其將理論知識與實踐結果相聯系，深化學生對基礎理論的理解，取得了很好的教學效果。

2.2多媒體輔助教學

《天線與電波傳播》課程以電磁信號的有效輻射接收和傳播為主線，重點研究了典型天線的輻射特性和傳播媒介對電波傳播特性的影響。在課程教學過程中，學生們通常對電磁波極化、天線的E/H面方向圖、天線陣方向圖與陣元間距和相位差之間的關系等概念和內涵難以理解和掌握。而教材中關于這些概念的講解圖示又局限在紙面的二維靜態顯示，加大了學生的理解難度。筆者充分利用多媒體教學手段，直觀展示了電磁波的輻射傳播過程，幫助學生們加深對這些物理概念本質的理解和把握。

首先，運用Matlab編程軟件編輯了三維空間中左旋橢圓極化波在傳播過程中電場強度方向與傳播方向的相對位置關系，直觀顯示了電場強度矢量端點的橢圓運動軌跡，同時提示學生們注意電場強度方向和傳播方向的相互垂直特性。在此基礎上，引導學生自主思考右旋橢圓極化波和線極化波的電場強度矢量端點的運動軌跡。通過多媒體動畫演示的方式，形象直觀地描述了橢圓（圓，線）極化波的基本形態。通過課后作業和課堂提問，發現學生能夠正確理解并掌握電磁波極化這一物理概念。

其次，運用Matlab的三維可視化技術顯示了振子天線的立體三維方向圖。在課堂教學過程中，運用鼠標拖動實現該方向圖的旋轉，使得學生能夠從三維空間的各方向觀察到該方向圖的形狀。在此基礎上，演示了兩個相互正交的平面切割該立體方向圖，獲得E面和H面方向圖。電場強度矢量所在并包含最大輻射方向的平面為E面，磁場強度矢量所在并包含最大輻射方向的平面為H面。這種教學方式下，學生較易理解E面/H面方向圖的基本概念。

然后，編程實現了不同陣元間距和相位差情況下線陣方向圖的變化情況。隨著相位差由負到正變化，整個線陣的最大輻射方向也隨之從一端掃描到另一端。通過演示這個動畫，使得學生理解了相位控制波束形成的基本概念，這也正是相控陣的基本原理。通過交互式輸入線陣的間距、相位差等參數，實時直觀地顯示了線陣方向圖的形狀，學生可以直觀觀察出主瓣方向、旁瓣個數、主瓣寬度隨線陣參數的變化情況，將教材中數頁的實例分析用交互式動畫的方式直觀地演示了出來。

通過運用交互式多媒體的教學方式，實時直觀地顯示了電磁信號輻射和傳播的空間特征，加深了學生對電磁波空間參數的理解。學生普遍反映對這種教學方式更易接受，教學效果較好。

3 結束語

在《天線與電波傳播》的教學過程中，通過天線測量的實驗教學并充分利用多媒體教學手段和方法，筆者較好地激發起了學生的學習興趣，引導學生去獨立思考天線和電波傳播的相關知識，強化了課堂教學的基礎理論知識，取得了較好的教學效果。

參考文獻：

[1]宋錚，張建華，黃冶.天線與電波傳播[M].西安電子科技大學出版社，2003.

[2]戴軍，黃紀軍，莫錦軍.現代微波與天線測量技術[M].電子工業出版社，2008.

[3]楊德強，潘錦，王志敏，楊峰.電磁波極化教學實驗設計與實踐[J].實驗科學與技術，2011，9（2）：16-18.