科研成果進(jìn)“天線與電波傳播”課堂的探索

［摘 要］ “天線與電波傳播”是電子信息類本科專業(yè)的核心課程，是注重基礎(chǔ)理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的課程。為了提高該課程的教學(xué)效果，提升課程知識(shí)與科研實(shí)際聯(lián)系程度，在課程教學(xué)中采用科研成果進(jìn)課堂的教學(xué)方法。利用科研中已解決的關(guān)鍵問(wèn)題，讓學(xué)生帶著問(wèn)題去學(xué)習(xí)，提升對(duì)本門課程學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性。以天線輻射與散射一體化控制的科研成果進(jìn)課堂為例，將此成果引入《微帶天線》章節(jié)，從天線輻射與散射控制的矛盾出發(fā)，綜合運(yùn)用課程知識(shí)點(diǎn)，對(duì)天線輻射控制和散射控制的影響因素進(jìn)行剖析，結(jié)合科研實(shí)踐開(kāi)展啟發(fā)性教學(xué)，啟發(fā)學(xué)生思考如何通過(guò)天線結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)輻射與散射一體化控制，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合分析能力，使學(xué)生走出課堂就能走向科研和工程實(shí)踐。

［關(guān)鍵詞］ 天線與電波傳播；科研成果進(jìn)課堂；輻射散射一體化調(diào)控

［基金項(xiàng)目］ 2020年度國(guó)家自然科學(xué)基金委青年基金“基于電磁超構(gòu)表面的陣列天線輻射散射一體化調(diào)控技術(shù)研究”（61901493）；2022年度湖南省自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目“超寬帶吸波”（2022JJ30665）

［作者簡(jiǎn)介］ 鄭月軍（1989—），男，江西玉山人，博士，國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院副教授，主要從事電磁功能材料與低可探測(cè)天線研究；丁 亮（1985—），男，浙江嘉興人，博士，國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院副教授，主要從事相變材料與可調(diào)天線研究；陳 強(qiáng)（1991—），男，河南信陽(yáng)人，博士，國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院副研究員，主要從事電磁功能材料與低可探測(cè)天線研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）16-0087-05 ［收稿日期］ 2023-03-02

“天線與電波傳播”是電子信息類本科專業(yè)的核心課程，主要內(nèi)容為天線輻射的基本原理及主要參數(shù)、典型天線及陣列、電波傳播的基礎(chǔ)方法及手段等［1］，其中典型天線類型多樣，比如半波振子、引向天線、對(duì)數(shù)周期天線、喇叭天線和微帶天線，而這些典型天線的設(shè)計(jì)正好又是科學(xué)研究中關(guān)注的重點(diǎn)，尤其是微帶天線。微帶天線是常用的天線形式之一，具有剖面低、重量輕，可與各種載體共形等優(yōu)點(diǎn)，因此，吸引了眾多科研人員開(kāi)展研究。

“天線與電波傳播”課程的理論基礎(chǔ)來(lái)源于電磁場(chǎng)理論，并且天線輻射的電磁波“看不見(jiàn)，摸不著”，教師雖然在講授時(shí)能抽絲剝繭，但是學(xué)生仍然處于被動(dòng)式學(xué)習(xí)狀態(tài)，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性不高［2］。針對(duì)這門課程的現(xiàn)實(shí)情況，根據(jù)教師參與科學(xué)研究的實(shí)際，采用科研成果進(jìn)課堂的教學(xué)方法，讓學(xué)生了解實(shí)際的科研課題和問(wèn)題，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)能力，讓學(xué)生既能明白基礎(chǔ)理論知識(shí)的重要性，又能對(duì)前沿科學(xué)研究加深了解和認(rèn)知，對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有重要意義。科研成果進(jìn)課堂可以對(duì)現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容起到有益的補(bǔ)充作用［2］，當(dāng)前國(guó)內(nèi)眾多高校均在推進(jìn)科研成果進(jìn)課堂工作。本文以天線輻射與散射一體化控制的科研成果進(jìn)課堂為例，將此成果引入“天線與電波傳播”課程的《微帶天線》章節(jié)，綜合運(yùn)用課程知識(shí)點(diǎn)對(duì)天線輻射控制和散射控制的影響因素進(jìn)行剖析，結(jié)合科研實(shí)踐開(kāi)展啟發(fā)性教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合分析能力，使學(xué)生走出課堂就能走向科研和工程實(shí)踐。

一、科研成果進(jìn)課堂的基礎(chǔ)

新型天線技術(shù)一直是課程團(tuán)隊(duì)成員的科研方向，涉及航天服天線、方向回溯天線、電磁低可探測(cè)天線、原子天線等。其中，航天服天線可將基礎(chǔ)輻射原理、天線電參數(shù)、微帶天線等部分知識(shí)有機(jī)融合，電磁低可探測(cè)天線可將天線電參數(shù)、微帶天線、陣列天線等知識(shí)有機(jī)融合。另外，額外引入了目前科研中重點(diǎn)關(guān)注的低可探測(cè)知識(shí)。通過(guò)將科研成果引入教學(xué)中，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，啟發(fā)學(xué)生認(rèn)識(shí)到學(xué)好天線、設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的天線對(duì)國(guó)防做出的巨大貢獻(xiàn)。

在課程體系中，前期已開(kāi)設(shè)了相應(yīng)的仿真實(shí)踐和測(cè)量實(shí)驗(yàn)課，并且在本門課程教學(xué)中也會(huì)將仿真實(shí)踐貫穿始終。將科研中的天線設(shè)計(jì)問(wèn)題引入課程教學(xué)中，可以在讓學(xué)生接觸到實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力；學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)進(jìn)行分析，運(yùn)用仿真軟件設(shè)計(jì)天線，并可利用后續(xù)的天線測(cè)量實(shí)踐環(huán)節(jié)在微波暗室中進(jìn)行性能測(cè)試，從理論到實(shí)踐，再到應(yīng)用，全鏈條培養(yǎng)學(xué)生。上述條件為天線輻射與散射一體化控制的科研成果進(jìn)課堂奠定了良好基礎(chǔ)。

二、科研成果進(jìn)課堂的探索實(shí)踐

（一）問(wèn)題引入和描述

雷達(dá)隱身技術(shù)是現(xiàn)代軍事中具有巨大戰(zhàn)術(shù)價(jià)值和戰(zhàn)略威懾作用的一項(xiàng)技術(shù)，是指在一定范圍內(nèi)控制和降低目標(biāo)的雷達(dá)可探測(cè)信號(hào)特征，也就是控制目標(biāo)的散射，從而減小目標(biāo)被敵方發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、跟蹤和攻擊概率的綜合性技術(shù)［3］。因此，雷達(dá)隱身技術(shù)又稱為雷達(dá)散射截面積（radar cross section， RCS）減縮技術(shù)或者低可探測(cè)技術(shù)。首先，向?qū)W生介紹低可探測(cè)的基本概念和相關(guān)術(shù)語(yǔ)，讓學(xué)生對(duì)天線散射及散射控制有基本的了解。

天線作為低可探測(cè)作戰(zhàn)平臺(tái)上的開(kāi)放電磁窗口，數(shù)量眾多，其低可探測(cè)性能成為制約低可探測(cè)作戰(zhàn)平臺(tái)總體低可探測(cè)性能提高的瓶頸。例如，為武器系統(tǒng)提供跟蹤、引導(dǎo)和打擊目標(biāo)的機(jī)載火控雷達(dá)，其配屬陣列天線的RCS高達(dá)20～30 dBsm［4］，這無(wú)疑會(huì)對(duì)整個(gè)低可探測(cè)作戰(zhàn)平臺(tái)的生存帶來(lái)致命災(zāi)難。通過(guò)舉例，讓學(xué)生明白天線低可探測(cè)性能的重要性，吸引學(xué)生的注意力，引起學(xué)生的興趣。與低可探測(cè)作戰(zhàn)平臺(tái)中的金屬蒙皮不同，天線是一類特殊的散射體，天線低可探測(cè)的關(guān)鍵是既要保證自身電磁波的正常輻射和接收，同時(shí)又要盡量減小對(duì)探測(cè)雷達(dá)波的空間散射，這實(shí)際上是一種很難解決的矛盾。通過(guò)分析天線低可探測(cè)的難點(diǎn)和關(guān)鍵，喚起學(xué)生的好奇心和好勝心。更為棘手的是，隨著以爭(zhēng)奪制電磁權(quán)為目的的電子戰(zhàn)，對(duì)探測(cè)、干擾、預(yù)警等戰(zhàn)術(shù)性能要求的提高，低可探測(cè)作戰(zhàn)平臺(tái)對(duì)天線輻射和散射性能均提出了更高要求。在當(dāng)前低可探測(cè)技術(shù)裝備快速發(fā)展的迫切需求下，研究解決輻射和散射控制矛盾并設(shè)計(jì)出高性能低可探測(cè)天線成為低可探測(cè)領(lǐng)域亟須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。首先拋出當(dāng)前科研當(dāng)中亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題的難度更大，會(huì)讓學(xué)生感覺(jué)解決這個(gè)問(wèn)題很有挑戰(zhàn)，在學(xué)生產(chǎn)生疑問(wèn)下，提出解決問(wèn)題的方法，帶領(lǐng)學(xué)生一步一步去解決這一科研問(wèn)題。問(wèn)題的引入和描述非常關(guān)鍵，直接決定了能否吸引學(xué)生的興趣，以及學(xué)生是否愿意跟隨教師的思路繼續(xù)探索。

（二）科學(xué)原理與分析

根據(jù)教材上對(duì)微帶天線的理論分析，設(shè)計(jì)一個(gè)工作頻率?=6.8GHz的微帶天線，微帶天線尺寸可通過(guò)教材中的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行初步估算［5］。如圖1所示，采用聚四氟乙烯作為天線介質(zhì)材料，相對(duì)介電常數(shù)為εr=2.65，損耗角正切為tanδ=0.002，厚度t=3.0 mm。將工作頻率?=6.8 GHz代入經(jīng)驗(yàn)公式，可計(jì)算得天線輻射貼片長(zhǎng)度a=11.7 mm，寬度b=16.3 mm，饋電位置lf=1.9 mm。此處向?qū)W生拋出一個(gè)問(wèn)題：教材的經(jīng)驗(yàn)公式中沒(méi)有考慮微帶天線的什么結(jié)構(gòu)參量？通過(guò)提問(wèn)，讓學(xué)生找到并加深對(duì)天線整體尺寸的印象，這也是后續(xù)解決問(wèn)題的“鑰匙”。

在上述經(jīng)驗(yàn)公式中，沒(méi)有考慮天線單元整體尺寸p。如果考慮組成天線陣列，保證不出現(xiàn)柵瓣，只須小于λ即可。由此可知，天線單元的整體尺寸p是可設(shè)計(jì)的量。充分利用這一可設(shè)計(jì)的參量，給天線輻射和散射一體化控制提供新的技術(shù)途徑。因此，帶領(lǐng)學(xué)生一起分析天線單元的整體尺寸p對(duì)輻射和反射的影響。

先分析對(duì)輻射的影響，隨著整體尺寸p從0.4λ逐漸增大到0.8λ，天線均具有良好的阻抗匹配，如圖2（a）所示，諧振頻率和工作帶寬幾乎不變，圖2（b）是天線在6.8 GHz的輻射方向圖，隨著p逐漸增大，天線均朝前向輻射，后向輻射能量略有減小，天線都具有較好的輻射性能。由此可知，天線單元整體尺寸變化對(duì)輻射性能幾乎沒(méi)有影響。通過(guò)上述分析結(jié)果，學(xué)生會(huì)進(jìn)一步了解天線整體尺寸這個(gè)參量對(duì)輻射性能的影響規(guī)律，明白整體尺寸變化對(duì)輻射影響不大。

然后分析對(duì)反射的影響，在天線結(jié)構(gòu)不變下，入射雷達(dá)波沿不同方向照射，即入射波極化不一致。一個(gè)與天線輻射同極化，一個(gè)與天線輻射成交叉極化。在x極化（同極化）入射波照射下，隨著p從0.4λ逐漸增大到0.8λ，反射相位斜率逐漸增大，出現(xiàn)零反射相位頻點(diǎn)且逐漸向高頻偏移，當(dāng)p≥0.8λ時(shí)，出現(xiàn)反射相位斜率為正現(xiàn)象，見(jiàn)圖3（a）。對(duì)于y極化（交叉極化）入射波，隨著p逐漸增大，也出現(xiàn)零反射相位頻點(diǎn)且呈現(xiàn)先逐漸增大后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖3（b）。通過(guò)上述分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)天線單元整體尺寸小于0.8λ時(shí)，出現(xiàn)了奇異的同相反射特性，即電磁波被反射后相位保持不變而不是類似于金屬板那樣有180°的相位變化，并且天線單元整體尺寸變化對(duì)反射特性影響較大。

（三）創(chuàng)新實(shí)踐與總結(jié)

通過(guò)上一節(jié)的分析和優(yōu)化，將天線單元整體尺寸p優(yōu)化設(shè)計(jì)為半波長(zhǎng)p=22.4 mm（≈0.5λ6.8 GHz）。讓學(xué)生根據(jù)圖2進(jìn)行分析，可知天線單元具有較好輻射性能。

在x極化波照射下，天線單元反射幅度有所減小，說(shuō)明結(jié)構(gòu)存在損耗，部分入射波被天線匹配吸收，零反射相位出現(xiàn)在6.65 GHz，而在y極化波下，天線單元反射幅度幾乎不變，均在0.98以上，入射波被全反射，零反射相位出現(xiàn)在5.2 GHz，x和y兩種極化的反射相位之間存在相位差，在5.4～6.7 GHz兩種極化的反射相位差處于180°±30°的區(qū)域內(nèi)，如圖4所示。

綜上分析，依據(jù)教材上天線設(shè)計(jì)公式設(shè)計(jì)天線單元具有優(yōu)異的輻射性能，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)天線單元整體尺寸，實(shí)現(xiàn)了天線具有奇異的反射性能，即具有同相反射特性。如何利用上述天線輻射與反射特性，解決天線陣列輻射與散射控制的矛盾問(wèn)題呢？拋出新的問(wèn)題讓學(xué)生思考。

將所設(shè)計(jì)的天線單元按照正交形式組成天線陣列［6］。首先，分析天線陣的輻射性能，如圖5所示，天線具有良好的匹配，任選的幾個(gè)單元的諧振幾乎都在6.76 GHz附近，陣列天線朝前向輻射，波束寬度較窄，定向性較好，最大前向增益達(dá)到14.4 dBi，交叉極化電平比主極化電平低24.0 dB。此外，可以改變天線的饋電形式，實(shí)現(xiàn)天線輻射不同極化的電磁波。學(xué)生由上述結(jié)果可知，天線陣列具有較好輻射性能。

進(jìn)一步分析天線陣的散射性能，當(dāng)雷達(dá)入射波垂直照射時(shí)，在5.0～8.0 GHz天線陣列RCS均有減縮，最大減縮了12.3 dB，在天線陣列工作頻帶內(nèi)，RCS均有4.8 dB以上的減縮，如圖6所示。當(dāng)雷達(dá)波斜入射時(shí)，雖然減縮幅度有所降低，但在5.0～8.0 GHz天線陣列RCS依然均有減縮，且隨著斜入射角度逐漸增大到45°，天線陣列帶內(nèi)RCS均有4.5 dB以上減縮。由上述結(jié)果可知，天線陣列實(shí)現(xiàn)了對(duì)輻射和散射的一體化調(diào)控。至此，通過(guò)翔實(shí)的數(shù)據(jù)和分析，帶領(lǐng)學(xué)生一起解決了天線輻射和散射控制矛盾，并設(shè)計(jì)出高性能低可探測(cè)天線。

通過(guò)這一科研成果，將微帶天線輻射和散射的概念、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法與仿真實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，能有效啟發(fā)學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合分析能力。這一成果中的解決方案是通過(guò)天線本身來(lái)解決天線的散射問(wèn)題的，進(jìn)而引申出課程思政，即其實(shí)很多問(wèn)題都可先從自己身上找找解決問(wèn)題的方法，只要解放思想，問(wèn)題總是能解決的。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)“天線與電波傳播”這門課程的現(xiàn)實(shí)情況，筆者將天線輻射與散射一體化控制的科研成果引入《微帶天線》章節(jié)，通過(guò)運(yùn)用課程知識(shí)點(diǎn)并結(jié)合科研實(shí)踐，帶領(lǐng)學(xué)生一起巧妙設(shè)計(jì)了天線結(jié)構(gòu)，其在保持正常輻射下具有奇異同相反射特性，并且利用這兩種特性實(shí)現(xiàn)了天線輻射與散射一體化控制，解決了天線輻射與散射的矛盾問(wèn)題，通過(guò)這一啟發(fā)性教學(xué)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。

參考文獻(xiàn)

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Exploration of Scientific Research Achievements into the Classroom of Antenna and Radio Wave Propagation： Taking the Scientific Research Achievements of Integrated Control of Antenna Radiation and Scattering as an Example

ZHENG Yue-jun， DING Liang， CHEN Qiang， FU Yun-qi

（College of Electronic Science and Technology， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan 410073， China）

Abstract： “Antenna and radio wave propagation” is the core course of undergraduate majors in electronic information field， which focuses on the combination of basic theory and practical application. In order to improve the teaching effect of this course and improve the actual connection between the course knowledge and scientific research， the teaching method of introducing scientific research achievements into the classroom is adopted. The key problems that have been solved in scientific research are used to make students learn with problem-solving， so as to improve their learning interest and initiative for this course. In this paper， The scientific research achievements of integrated control of antenna radiation and scattering are taken into the classroom as an example. The achievements are introduced into the section of “microstrip antenna”. Starting from the contradiction of antenna“radiation and scattering” control， the influence factors of antenna radiation control and scattering control are analyzed by comprehensively using the knowledge points of the course. The heuristic teaching is carried out in combination with scientific research practice. Meanwhile students are inspired to think about how to realize the integrated control of radiation and scattering through the ingenious design of antenna structure. Innovative thinking and comprehensive analysis ability of students are cultivated which can help students go to scientific research and engineering application smoothly.

Key words： Antenna and Radio Wave Propagation; scientific research achievements into the classroom;

integrated control of antenna radiation and scattering