電磁場、微波技術與天線課程的三種教學方法

亓協興 趙元元

【摘要】“電磁場、微波技術與天線”是電子信息類和通信類專業的專業課，涉及大量的理論和公式，是一門公認的難教難學的課程。基于此，本文探討了三種教學方法：重視緒論；聯系現實生活；采用虛擬仿真工具。此三種方法在教學過程中的恰當運用不僅可以使抽象難懂的公式、現象變得容易理解，提高學生學習興趣、降低學習難度，而且使教師本人的科研與教學融為一體，以教促研、教研結合。

【關鍵詞】電磁場 微波技術 天線 教學方法

【課題項目】2017年度洛陽師范學院高等教育教改項目 《電磁場微波技術與天線》課程改革與建設（69）。

【中圖分類號】G424 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）49-0166-02

工信部2017年發布的《信息通信行業發展規劃（2016-2020年）》明確提出，2020年啟動5G商用服務。這一消息表明作為信息主要載體的高頻電磁波——微波，在無線通信領域得到了更廣泛的應用。因此，對于電子信息類和通信類專業的學生來講，電磁場、微波技術與天線課程的學習在當前與今后都占據著非常重要的地位。本文主要根據該課程的特點，從三方面探討如何更有效的進行課堂教學，從而提高學生的學習興趣，達到該課程的教學目的。

一、緒論的重要性

一堂精彩的緒論課能夠激發學生的求知欲望，令學生在整個課程的學習中都保持良好的狀態[1]。電磁場、微波技術與天線課程涵括了電磁場理論、微波技術基礎與天線基礎三方面內容。每一方面講解前都可以安排相應的緒論課。如電磁場理論方面，從整個電磁波譜的劃分引入，聯系當前已廣泛使用的WIFI通信及即將開始商用的5G通信，結合中學物理涉及到的電磁理論內容，充分激發學生的學習興趣；再如微波技術方面，微波是頻率300MHz～300GHz范圍內的電磁波，符合電磁場理論方面的規律，以電磁場理論為基礎引入其似光性、高頻性、寬頻性及穿透性等特性，并分別展開作簡要描述，留下現實生活中與此有關的問題，使學生對微波技術有概括的了解并有主動學習的動機；又如天線基礎方面，以家中電視機連接的外置八木天線為開端，從技術成熟的民用常見天線——收音機的拉伸式天線、路由器直立型鞭狀天線、車載的鯊魚鰭天線甚至手機中的微帶天線，到高科技含量的軍用天線——體陣列的SBX、面陣列的“鋪路爪”及KLJ-7A，以此說明天線對日常生活、工作的重要性，無形之中將學生帶入天線的世界。

二、與現實生活相聯系

中學教育主要采用探究式方法，大學教育主要采用啟發式方法，教育方法的不同導致教材內容差別較大。中學教材有非常多的與現實生活聯系緊密的內容，相反，大學教材注重理論學習，概括性較強，實際生活的具體例子較少。但電磁場、微波技術與天線課程實踐性與應用性非常強，理論學習聯系實際應用對于該課程尤為重要。與其他課程相比，電磁場理論、微波技術和天線理論知識抽象、公式推導枯燥繁雜，學生反映晦澀難懂，學習興趣不高，教師在授課過程中需克服以上缺點，將影響降到最低。雖然課程理論抽象，但是其在日常生活中的應用卻是非常普遍。這就要求授課教師引導學生去發現，并將所學知識與實際應用相聯系，加深對知識的理解。例如，洗衣機洗衣服時的水位中心低周邊高就是因為存在漩渦源，是一個有旋場；用于傳輸有線電視信號的同軸電纜與機頂盒接口處，若接駁姿態不正確會產生“花屏”，這是行駐波在作祟；由于調幅電臺發射的是垂直極化波，在室外收聽調幅廣播，收音機天線要垂直放置；家用的衛星電視接收器需對準某個方向方能使電視信號清晰，是因為接收天線存在方向性參數；晚上收聽到的電臺比白天多可以用天波傳播知識來解釋；趨膚效應的存在迫使與水下潛航器通信需要架設幾十甚至上百公里的長波天線；手機通話過程中出現的“呲呲”噪音及無法通話狀態多數情況是由于信號傳輸信道質量下降，導致實際損耗增加。在授課過程中，穿插諸如此類的生動形象的例子，能夠引起學生的好奇心，激發學生學習的興趣，同時能夠培養學生自主觀察、自主思考、自主解答的良好學習習慣。

前文所述，大學課程比中學課程更有廣度、更有深度，但并不意味著兩者存在鴻溝，毫無聯系。相反，中學知識是大學知識的基礎，大學知識是中學知識的升華。因此，在講授該課程時，可適時回顧中學相應的知識點，以學生已熟練掌握的知識為基礎，逐步過渡到大學課程內容，使學生更容易理解掌握。例如，位移電流密度J=■，其量綱為（C /m2）/s，可化簡為A/m2，量綱與中學傳導電流密度一致，即可將位移電流密度與傳導電流密度對比著記憶、理解；再如復雜的麥克斯韋方程組，其中的全電流定律與法拉第定律中學物理都有所講解甚至進行過實驗操作，以此為基礎，結合高等數學微積分知識即可推導出麥克斯韋方程組；又如群速度色散，可從眾所周知的三棱鏡效應入手，太陽光經過三棱鏡之后會產生彩虹色光，這是因為太陽光是由頻率不同單色光組成的復色光，三棱鏡的媒質參數與電磁波的頻率有關，為色散媒質，再以中學的“速度”類比“群速度”之后就比較容易理解群速度色散。

三、采用虛擬仿真工具

建構主義學習理論認為：世界是客觀存在的，但是對于世界的理解和賦予意義卻是由每個人自己決定的。學習不是由教師把知識簡單地傳遞給學生，而是在一定的情景下，由學生自己建構知識的過程。依據這一理論，將抽象性與直觀性相統一，恰當地運用直觀性教學可以更好地為學生創設學習情景，引導學生的抽象性思維，建立直觀深刻的認知。

對于本課程來講，電磁場是抽象的，看不見摸不著，學生很難建立直觀感受。這時，就可以通過虛擬仿真軟件將抽象的電磁場直觀的呈現出來[2]。目前，電磁場、微波技術與天線課程涉及到的虛擬仿真軟件有HFSS、Microwave Office、ADS、CST、MATLAB和Smith圓圖等。結合實際教學情況，我們選用了HFSS與MABLAB兩款軟件作為虛擬仿真工具。在使用仿真工具過程中，學生不僅掌握了軟件的使用方法，還可以在教材中找到對應的理論依據，加深對理論知識的理解。

例如，在使用HFSS設計一款微波波段的半波對稱振子天線的課題中，需要設置激勵的頻率及天線尺寸，頻率決定波長、波長決定天線尺寸，從理論知識可知它們是相互關聯的；天線臂材料要根據決定材料屬性的介電常數ε、磁導率μ和電導率σ等參數進行選擇；設置輻射邊界需考慮電磁波通過兩種不同媒質時滿足的邊界條件；還需應用鏡像原理來設置無限大地平面以確保符合現實情況。教材給出了半波對稱振子天線的平面方向圖（圖1（a）），非常抽象，空間想象力不強的學生難以理解。使用HFSS軟件可得到立體方向圖（圖1（b）），對比可發現，立體方向圖含有的信息遠遠大于平面方向圖，并且更加直觀。

又如，工程上常采用的兩個特定正交平面方向圖——E面與H面方向圖。E面指電場強度矢量與最大傳播方向構成的平面，H面指磁場強度矢量與最大傳播方向構成的平面。僅僅根據文字描述來理解抽象定義，難度是比較大的。此時可根據電基本振子的歸一化方向函數，通過MATLAB軟件畫出其形象的立體方向圖，如圖2所示。在此立體方向圖的基礎上，分析E面與H面就容易得多。E面即正視圖，為“8”字型；H面即俯視圖，為圓形。相對繁瑣枯燥的公式，學生對圖形的記憶要更深刻、理解會更透徹。

四、結語

雖然“電磁場、微波技術與天線”課程難教難學，但無線通信技術的發展使得該方向的人才嚴重短缺，因此如何使學生學懂該課程顯得非常重要。本文介紹了三種教學方法，每一種方法都不單純是老師的講授，需要與學生互動，充分調動學生的積極性，如此才能達到教學的目的。

參考文獻：

[1]蔣鐵珍，廖同慶.“微波技術與天線”教學：與工程應用相結合[J].教育與教學研究， 2014（6）：78-80.

[2]宋錚，張建華，唐偉.電磁場微波技術與天線[M].西安電子科技大學出版社， 2017.

作者簡介：

亓協興（1989-），男，山東聊城人，講師，電磁場與微波技術專業博士，主要研究方向為計算電磁學及天線應用。

趙元元（1987-），女，山東聊城人，副科級教學秘書，主要研究方向為高等教育研究。