《天線與電波傳播》課程教學方法改進的探討

葉志紅 李強 邵羽 廖希

摘要：天線與電波傳播課程涉及到大量的電磁場理論，采用傳統的滿堂灌的授課方式，學生只會死記硬背而無法理解天線與電波傳播的實際物理意義。本文將科學研究技術引用到課程教學中來，將晦澀的電磁場公式轉變為可視化的動畫進行演示，更容易讓學生接收，從而提高課堂效率，讓學生從本質上理解和掌握天線和電波傳播的物理知識。

關鍵詞：天線與電波傳播；電磁場理論；科學研究；動畫演示

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）11-0159-02

隨著4G和5G通信的發展，使得人們對于通信質量的要求越來越高。天線是實現通信的重要部件，其將發射機產生的電磁信號輻射出去，而在接收端需要接收信號送到接收機進行信號處理。因此，天線性能的優劣會直接影響到通信的質量。另外，信號從天線輻射出去之后，會經過大區域的電波傳播過程，而不同的環境對電波傳播的影響是不一樣的，因此，電波傳播過程也將直接影響到通信的質量。由此，對于通信與信息工程專業的學生，開設天線與電波傳播課程顯得十分必要[1-3]。而學習天線與電波傳播課程，需要用到大量的電磁場理論以及數學計算公式，理解起來比較困難。同時，天線類型多樣，例如半波振子、天線陣、引向天線、對數周期天線、喇叭天線、微帶天線等，而每種天線的輻射機理和特性都不一樣。電波傳播根據環境的不同，又可分為自由空間電波傳播、地面波傳播、天波傳播和視距傳播等，而每種傳播路徑對電波影響的物理過程也都是不一樣的。因此，如何講解天線輻射與電波傳播的物理過程和內涵，讓學生更容易理解和吸收，具有十分重要的探討意義。

傳統的教學方法多以滿堂灌為主，而對于電磁場理論，老師講解的推導過程再詳細，學生也很難完全吸收和掌握，導致課堂教學效率低下。因此，本文將科學研究技術應用到課堂教學中來，通過對天線輻射和電波傳播過程采用科學研究技術進行模擬并實現可視化，讓學生從天線設計、天線輻射到電波傳播過程有很直觀的認識，從而更好地理解天線和電波傳播的物理內涵，提高課堂教學效率。

一、傳統的教學模式

對于天線與電波傳播這樣的理論課，傳統教學多是采用滿堂灌的方式。然而課程涉及到大量的理論公式，如果只是一味地講解推導過程，學生很難理解。這里以電流元輻射的理論推導為例來加以說明。

電流元輻射的理論推導過程如圖1所示，此過程涉及到Maxwell方程組、標量位、矢量位和位函數方程等電磁場公式和理論。在求解位函數方程時需要用到高等數學求解偏微分方程組的知識，而在由矢量磁位A計算電場E和磁場H時，需要進行旋度、散度和梯度運算，然后根據波長與距離滿足的關系，分析天線近場區和遠場區的電磁特性。

二、科學研究引入課堂教學

通過上述分析，可以明顯看出，只是講解理論推導，學生難以理解。在科學研究領域，可以采用相應的數值算法對天線輻射和電波傳播的物理過程進行模擬，例如時域有限差分（FDTD）方法、拋物方程（PE）方法，等等。FDTD方法是一種全波算法，能夠從時域的角度模擬電磁波的輻射、耦合以及散射等物理現象。因此，采用FDTD方法對各類天線進行建模，并模擬得到電磁波經天線輻射之后在空間傳播時的電磁場分布，以及天線的方向圖、增益等電參數。設置一觀察面，將該觀察面在多個時刻點上的空間電場分布保存為png圖片格式文件，然后結合相應的圖片編輯軟件，將多個圖片做成動畫，即可在課堂上演示天線的輻射過程。下面以對稱振子為例，給出采用FDTD方法對天線的建模和仿真過程。

由圖2可以看出，采用FDTD方法能夠很好地建立天線的物理模型，并仿真得到天線近場區的電場分布情況以及朝遠場區方向輻射的傳播過程，可以清晰地看到天線向遠場區傳播時的球面波特性。然后，FDTD方法可以根據天線遠場區的電磁場分布求解得到天線的方向圖、增益等電參數。因此，若在講解天線輻射的理論推導時，引入上述天線輻射的動畫演示，勢必會讓學生能夠更好地理解理論推導過程，提高課堂效率。

對于其他類型的天線，同樣可以采用上述方法進行建模和仿真，只是對于不同類型的天線，建模過程和仿真結果會有所不同。

對于電波傳播問題，同樣可以采用相應的數值方法進行建模和仿真。與天線輻射不同的是，電波傳播涉及到的空間區域比較大，無法采用FDTD方法進行建模和模擬，是因為FDTD方法需要對模型進行網格剖分，而對于大區域而言，建模所需的網格量將會非常巨大，單臺計算機無法承受。因此，需采用拋物方程方法或者大規模并行FDTD算法對大區域的電波傳播問題進行建模。拋物方程方法和大規模并行FDTD算法是本人已有的研究成果，因此，可以很方便地用來對電波傳播問題進行建模和仿真。需要注意的是，對于不同的電波傳播模式，由于傳播路徑不同，建模方法亦不同，具體的建模過程不在本文中進行詳細敘述。下面以電波在建筑物室內的傳播過程為例，來說明科學研究對教學方法改進起到的重要作用。

圖3給出了建筑物的物理模型以及仿真得到的建筑物內外空間的電磁場分布，由圖可以清晰地看到電波經建筑物的窗戶進入到室內，并以近似球面波的形式向前傳播，然后遇到建筑物室內的墻體發生反射、繞射等物理現象。通過動畫的形式演示電波傳播的過程，形象生動，能夠讓學生更容易理解和接收。

三、結論

天線與電波傳播課程采用傳統的滿堂灌的教學方法，無法讓學生從本質上理解和掌握天線與電波傳播理論。本文提出將科學研究技術應用到課程教學，采用FDTD方法、拋物方程方法以及大規模并行算法模擬天線輻射與電波傳播的物理過程，將難以理解的電磁場理論通過動畫的形式進行演示，使得學生更容易理解和掌握天線傳播和電波傳播的物理內涵，從而提高課堂教學效率。

參考文獻：

[1]王平.《電波傳播與天線》課程教學改革探索[J].素質教育論壇，2015，（14）：2-3.

[2]孫豪.《天線與電波傳播》課程教學實踐與思考[J].科技信息，2011，（25）：145-146.

[3]周彩霞，吳振森，弓樹宏.關于電波傳播與天線專業的實踐教學[J].西安郵電學院學報，2011，（12）：103-104.