電磁波與天線課程實驗教學的探索與研究

薛紅 曹文權 朱衛剛 邵尉

陸軍工程大學通信工程學院 南京 210007

0 引言

電磁波與天線課程是電子信息、電氣工程、通信工程類等專業本科生必修的專業基礎課程，屬于理論與實踐緊密結合的課程。本課程的特點是體系完整、理論性強、概念抽象、公式繁多。當前，院校精品課程建設對該課程提出新要求，需要靈活運用各種資源，多角度全方位設計并梳理教學內容，改革傳統的教學模式，注重學生綜合能力的培養，需要在工程背景和實際應用等方面做加法，進一步提升教學效果。實驗教學是課程的重要組成部分，與理論教學相輔相成，其作用是使學生能夠更好地理解和掌握電磁場與電磁波、天線與電波傳播的基本概念和基礎理論，課程建設中對實驗學時進行增加，同時配合理論內容進行改造，目的就是培養學生的電磁工程實踐能力，鍛煉學生的科學思維，激發創新意識，培育創新精神，為其今后深入學習、崗位任職打下良好的基礎[1-3]。

1 研究現狀

根據課程建設的要求，緊貼天饋系統的工程應用，課程內容主要包括電磁場和電磁波基礎理論、傳輸線和天線技術應用、實際電波傳播模型三個模塊，圍繞強化基礎理論、突出工程應用、注重實踐環節，系統地設計教學內容和實驗環節，知識內容主要有電磁場理論、電磁波的傳播反射與折射、傳輸線理論與微波傳輸線、天線技術和電波傳播。

電磁場理論部分為課程學習準備了必要的數學基礎和物理規律，相對來說比較抽象，特別是電磁場基本方程。如何將這部分場理論的內容和后續理論與應用更好地融合，需要進行總體設計。而傳輸線、天線部分、電波傳播部分，與實際應用的貼合度比較高，學生比較容易理解，實際的傳輸線與天線有很多種類型，不可能在課堂上一一詳述，結合相關專業背景，突出重點，按照類型及其作用，由一及多，由點到面，由面到體，隨著維度的增加，內容也體現了高階性。主要目的是培養學生把握實質、提煉思路的科學思維方法。

課程理論內容之外，實驗教學也是必不可少的，實驗內容要緊貼課程教學主線，實驗與理論相結合，將抽象的問題形象化和具體化，復雜的問題簡單化，通過可視化實驗進一步提升教學效果。課程改造前，實驗學時比較少，而且都是驗證性實驗，無法滿足精品課程教學需要。目前，精品課程建設中，“圍繞如何開展電磁波天線課程的實驗教學，如何恰到好處地將理論與實驗相結合，如何通過實驗環節增強教學效果，提升學員能力”等問題進行研究并相應實施，是非常有意義的。實驗內容的設置以及考核評價標準，應提倡采用“多元化”的體制，其目的是全面反映學生真實水平，激發學生學習的主動性和積極性，全面考核學生的能力和素質[4-8]。

2 實驗架構

電磁波教學綜合實驗系統是電磁波與天線課程配套的實驗系統，圍繞電磁場、電磁波、傳輸線、天線技術、電波傳播等模塊中的重要知識點，融驗證性、設計性、綜合性和創新性于一體，能夠幫助學生透徹地了解電磁場、電磁波、傳輸線、電偶極子、應用天線的基本結構及其特征等重要知識點，深刻理解法拉第電磁感應定律以及電磁波輻射的原理，掌握電磁波測量技術原理和方法，建立電磁波的形象思維，加深對電磁波產生、發射、傳輸、接收過程中重要知識點的認識與理解，通過學生自主動手制作振子感應器、振子接收天線、定向天線等，培養學生的應用能力和創新能力。

實驗內容分為基礎實驗和拓展實驗，基礎實驗主要包括電磁場、電磁波、微波傳輸線、應用天線的驗證與測試實驗，這部分實驗使學生能夠從現象中感受電磁場、電磁波的存在，然后通過測試了解電磁場、電磁波的各種特性和規律，深刻理解電磁輻射、電磁波傳輸、電磁波反射、場強的原理，掌握電磁波測量技術原理和方法，利用可視化教學使電磁場與電磁波從無形變為有形，從抽象變形象。

拓展實驗主要包括天線的測量、設計實驗，學生通過測試天線的各項電參數，掌握基本的測試方法，結合理論動手設計并制作天線，讓學生參與其中，提高學生的動手能力。通過實驗的完整體驗，學生可以在知識理解、實物操作、創新能力、動手能力等方面獲得很大的提高，為將來更進一步的學習、研究或者從事相關工作打下基礎。

本課程配套的實驗系統提供一種測量天線方向圖、天線增益、天線極化等特性的測試平臺，包含發射系統、接收系統、電機控制系統、天線轉動平臺、數據處理及終端顯示系統，集多種測試功能于一體，通過對不同天線特性的測試，加深學生對天線方向圖的感性認識，對增益等參數的定量計算，學生可用該系統設計各種天線進行天線特性測試，掌握并加深對天線特性的認識。

如圖1 所示，系統中的四極化天線是一種可重構極化的天線，根據接入端口不同，可以分別發射垂直極化、水平極化、左旋圓極化、右旋圓極化的電磁波，其工作頻率為138 ～4 400 MHz，8.5 ～10.5 GHz。四極化天線所在的位置可以換上其他的線天線和喇叭天線，其中線天線的工作頻率范圍可為700 ～1 200 MHz，喇叭天線的工作頻率范圍為8.5 ～10.5 GHz。云臺組件包含方位角云臺、方位角轉盤、俯仰角云臺，可以分別在水平面旋轉360°，豎直面旋轉360°，測量精度為1°。系統右端的反射板為金屬板，可以反射電磁波，也可以屏蔽電磁波。系統中有導軌，導軌上裝有滑塊，用于滑動云臺和反射板。當按下電磁波發射開關后，經過放大的電磁波，從射頻放大輸出端口輸出。數據輸入端口可以將接收到的信號強度傳入實驗系統，拓展實驗輸出端口可以輸出未經放大過的信號。

圖1 電磁波與天線綜合實驗系統

3 教學實施

教學實施過程中，基于基礎實驗和拓展實驗，重新構建實驗模塊框架，梳理實驗內容，創新教學方法。從宏觀上把握教學活動整體及各要素之間的關系和功能，在教學實施過程中要突出其可操作性和有序性，主要從以下幾個方面出發。

3.1 定性分析與定量計算

實驗中使用振子感應器和振子接收天線進行對比分析。使用振子感應器進行定性分析，采用振子接收天線進行定量計算。以電磁波波長的測量為例來說明，發射部分選擇四極化天線的垂直極化方式，將振子感應器固定在云臺連接塊上，再整體放入云臺支臂里，保持振子感應器豎直放置，云臺支臂與導軌平行，固定云臺支臂，最后將云臺移動至30 cm位置。將反射板放入支撐桿，保持反射板與四極化天線相對，然后旋緊固定螺釘，并將其移動至導軌最右側。進入輻射特性實驗界面，將發射頻率設置為1 100 MHz，并發射電磁波。一直保持發射狀態，從遠到近移動反射板，觀察振子感應器明暗變化情況。以感應器燈泡明暗度判斷波腹（波節）的出現。移動反射板，觀察第一次感應器燈泡最亮，記錄金屬板位置，觀察第一次燈泡最暗，記錄金屬板位置，根據波腹和波節之間的距離，計算出電磁波的波長。然后將振子感應器取下，換上振子接收天線，并連接電纜。保持振子接收天線豎直狀態，云臺支臂與導軌平行，將云臺移動至19 cm 位置，反射板移動至30 cm 位置。將發射頻率設置為900 MHz，保持發射狀態，同時采集數據。獲取反射板在30 cm 處時接收天線接收到的強度，并在直角坐標系中繪點，按照采樣點距設置要求，將反射板從30 cm 處移動至31 cm 處，獲取反射板在31 cm 處天線接收到的強度，同時繪點，并與30 cm 處的點連線。根據上述操作，將反射板從30 cm 向右側移動。觀察繪制的數據曲線，獲取波腹、波節的位置，計算電磁波的波長。

3.2 振子天線制作

用信號發生器作為發射源，通過發射天線向空間輻射電磁波。如果振子感應器置于電磁波中，就能在感應器的導體上感應出高頻電流，接收感應器離發射天線越近，電磁波功率越強，感應電動勢越大。如果用微小功率白熾燈泡接入感應器電路板適合的饋電點，使感應器電路板和白熾燈構成一個完整感應器電路器件，將該器件置放于空間電磁波中，當感應器電路器件與空間電磁波波長參數匹配時，就能夠耦合接收到空間電磁波能量，當耦合到的能量足夠時，就可使白熾燈發光。感應器電路板與白熾燈、金屬導線，共同構成一個完整的電磁感應裝置，如圖2 所示。

圖2 振子感應器電路板

將振子感應器替換為振子接收天線，可以更精確地測量制作的天線。接收天線和感應器形狀一樣，按照制作感應器的方式，將漆包線安裝后形成新的接收天線。將N 型轉接頭連接面板的射頻輸入接口，將數據接收電纜SMA 接口端與此N 型轉接頭連接，再將數據接收電纜與制作的接收天線連接。將接收天線固定在云臺連接塊上，再將這一整體放入云臺支臂里，保持制作的接收天線是豎直放置，云臺支臂與導軌平行，然后固定云臺支臂，將云臺移動至20 cm 位置。保持按下發射按鈕，將感應器電路板緩慢靠近發射天線，然后再遠離發射天線，觀察場強檢測實驗界面表盤讀數以及指針偏轉，并記錄天線處于三個不同位置時表盤顯示的數據。

3.3 定向天線制作

設計一個帶有刻度的塑料尺連接件，如圖3 所示。附有幾個長方形的塑料滑塊，用塑料螺絲固定金屬桿或Φ1 mm 的漆包線，可以將有源振子和無源振子固定在塑料滑塊上，再安裝在塑料尺的開孔上，振子的間距便可以自由調節。三元引向器天線設計步驟：首先選定實驗頻率，然后按半波長縮短5%的長度制作有源振子，將有源振子作為接收天線，調整長度，使接收值最大。用感應器固定螺絲穿過有源振子和塑料尺的縫隙，固定在云臺連接塊上。按有源振子的實際長度，再增加10%的長度制作無源振子，作為反射器，長度還可以精確調整。反射器距離有源振子（0.1 ～0.5）λ，用塑料尺連接件組合安裝成帶有反射器的二元引向天線。最后將制作好的三元引向器天線安裝在云臺支臂上，保持反射器在有源振子之后，塑料尺方向與導軌平行，此時云臺支臂與導軌垂直，然后固定云臺支臂。

圖3 三元引向天線

3.4 引向天線的方向圖測量

保持發射狀態，進行數據采集。獲取引向天線收到的強度，實驗界面會在極坐標0°處繪制圓點，距離圓心的距離越遠代表接收到的強度越強。按照采樣點距設置要求，用云臺轉盤將引向天線從與導軌平行旋轉5°到偏離導軌方向5°，采集引向天線偏離導軌方向5°時天線接收到的強度。將引向天線旋轉360°，根據角度和電壓值，記錄數據，將最大的電壓值作為基準值，以基準值計算其他角度電壓與基準值的比值，按照比值的方式將數據畫入極坐標圖中。根據公式計算天線的增益。改變三元引向器中反射器和有源振子、有源振子和引向器的相對位置，再次進行實驗。測量新的三元引向器的方向圖和增益。

4 結束語

依據精品課程建設和課程教學大綱的要求，以需求為牽引，轉變傳統的課程實驗教學設置觀念，反推教學目標和教學模型，按照需求、目標、內容、課堂、需求的路徑重新構建實驗體系，形成閉環。結合課程相應的理論知識點，從工程應用層面梳理實驗內容，結合通信系統中的天饋系統部分，針對天線技術、微波技術、電波傳播等模塊，增加工程背景和工程應用，融入可視化實驗系統，變抽象為形象，化復雜為簡單，方便學生理解和掌握，有效提升實驗教學內容的含金量，進一步提升教學效果。從目前的教學實施過程來看，可以達到預期目標。