《微波技術(shù)與天線》課程教學(xué)中理論性與工程應(yīng)用性的結(jié)合探討

袁海軍　馬云輝　劉詠梅　盧晶琦　高玉梅

摘要：“微波技術(shù)與天線”是一門(mén)既強(qiáng)調(diào)理論性又強(qiáng)調(diào)工程性的課程，而傳統(tǒng)教學(xué)時(shí)常常忽略理論性和工程性的結(jié)合，通過(guò)在教學(xué)過(guò)程中介紹微波與天線的最新應(yīng)用，教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和工程意識(shí)，將工程觀點(diǎn)貫徹于各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，提高分析工程問(wèn)題、解決工程問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：教學(xué)教改工程思維工程意識(shí)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）08（c）-0169-02

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，作為信息主要載體的高頻電磁波——微波不僅在衛(wèi)星通信、計(jì)算機(jī)通信、移動(dòng)通信、射頻識(shí)別等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且深入到了各行各業(yè)，甚至在人們的日常生活也扮演著角色，因此在教授“微波技術(shù)與天線”課程中，不但需要把理論知識(shí)傳授給學(xué)生，還要在教學(xué)過(guò)程中增強(qiáng)工程應(yīng)用性。

1課程有強(qiáng)的理論性和強(qiáng)的工程應(yīng)用性

“微波技術(shù)與天線”課程主要涉及微波技術(shù)、天線與電波傳播和微波應(yīng)用系統(tǒng)等方面內(nèi)容，該課程既有強(qiáng)的理論性又有強(qiáng)的工程應(yīng)用性。

“化場(chǎng)為路”方法分析均勻傳輸線，它是把傳輸線等效為分布參數(shù)電路，建立傳輸線方程，求出滿足邊界條件的電壓、電流的分布，分析傳輸線的阻抗、反射系數(shù)及駐波比等傳輸特性，其結(jié)構(gòu)有平行雙線、同軸線、帶狀線和微帶線。在麥克斯韋方程基礎(chǔ)上，求出滿足邊界條件的波動(dòng)解，得出空間各點(diǎn)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的表達(dá)式，進(jìn)而分析電磁波傳輸特性，波導(dǎo)理論介紹矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、同軸線等的物理構(gòu)成及工作原理，它們的場(chǎng)結(jié)構(gòu)在三維空間分布。天線理論介紹各種線天線、面天線的三維結(jié)構(gòu)、饋電原理、輻射方向圖等[1]。

本課程多方面體現(xiàn)與工程應(yīng)用緊密聯(lián)系。如同軸線應(yīng)用在有線電視、閉路監(jiān)控系統(tǒng)、電信企業(yè)的傳輸部門(mén)等；波導(dǎo)應(yīng)用在功率較高的場(chǎng)合如雷達(dá)、基站等，功率分配器、隔離器、定向耦合器等應(yīng)用在室內(nèi)分布系統(tǒng)和基站等，天線的應(yīng)用有手機(jī)天線、藍(lán)牙天線、基站天線等等。

2教學(xué)理論性和工程應(yīng)用性不能很好結(jié)合

教材可能由于篇幅所限，或過(guò)于陳舊，不能很好地體現(xiàn)微波技術(shù)與天線的實(shí)際工程應(yīng)用；教學(xué)過(guò)程中過(guò)于偏重理論教學(xué)，實(shí)踐教學(xué)所占比重較小，在有限的課時(shí)教學(xué)中傳統(tǒng)方式僅僅能將基本的、重要的概念、原理、方法教授給學(xué)生，而對(duì)微波技術(shù)的發(fā)展前沿問(wèn)題、最新的工程應(yīng)用涉及較少；另外缺少學(xué)科建設(shè)及科研經(jīng)費(fèi)，造成實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)儀器設(shè)備相對(duì)匱乏，所開(kāi)實(shí)驗(yàn)不能體現(xiàn)微波與天線的工程應(yīng)用，也不能提供給學(xué)生開(kāi)放式教學(xué)所必需的環(huán)境。基于上述原因，教學(xué)理論性和工程應(yīng)用性不能很好結(jié)合[2]。

3介紹最新應(yīng)用以增強(qiáng)工程應(yīng)用性

在講授理論課程的同時(shí)，將一些實(shí)際的工程應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，介紹其中的專業(yè)術(shù)語(yǔ)、性能參數(shù)、使用范圍，既增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也開(kāi)拓學(xué)生的視野，同時(shí)加深對(duì)專業(yè)方向的了解。

3.1 同軸線

舉例來(lái)說(shuō)SYV電纜全稱實(shí)心聚乙烯絕緣射頻同軸電纜，就是同軸電纜中的一種。SYV-75-5：SYV為視頻線；S為射頻；Y為聚乙烯絕緣；V為聚氯乙烯護(hù)套；75為阻抗為75Ω；-5為線材的粗細(xì)。SYV電纜的使用環(huán)境：設(shè)備的支架連線，閉路電視（CCTV），共用天線系統(tǒng)（MATV）以及彩色或單色射頻監(jiān)視器的轉(zhuǎn)送，這些應(yīng)用不需要選擇有特別嚴(yán)格電氣公差的精密視頻同軸電纜。視頻同軸電纜的特征電阻是75Ω，這個(gè)值不是隨意選的，理論教學(xué)中證明了信號(hào)最優(yōu)化的衰減特性發(fā)生在77Ω，在低功率應(yīng)用中，材料及設(shè)計(jì)決定了電纜的最優(yōu)阻抗為75Ω。

3.2 手機(jī)天線

手機(jī)天線的技術(shù)指標(biāo)為：在要求的工作頻率內(nèi)，駐波比小于3，天線的效率應(yīng)該在40%左右。有源測(cè)試發(fā)射功率GSM：33±2（dBm），DCS：30±2（dBm），有源測(cè)試接收靈敏度（誤碼率BER<2.4%條件下），GSM：-102（dBm），DCS：-100（dBm）。

手機(jī)天線大多處于機(jī)身底部，外部有絕緣塑料殼，握住時(shí)手弓形成了讓天線得以正常工作的空間，因此握緊手機(jī)會(huì)使信號(hào)衰減的說(shuō)法是正確的，因?yàn)槿耸质菍?dǎo)體，當(dāng)射頻能量穿過(guò)人手時(shí)會(huì)減少信號(hào)發(fā)射和接收的能量，一些HTC手機(jī)的說(shuō)明書(shū)就寫(xiě)明，用戶最好不要接觸天線部位。蘋(píng)果iPhone4出現(xiàn)“天線門(mén)”事件，就是因?yàn)閕Phone4的天線容易被握住，且還會(huì)導(dǎo)致圍繞機(jī)身邊緣的兩條天線被手連通的耦合問(wèn)題。而其他大部分智能手機(jī)的天線要么在最頂部，要么在最底部，平時(shí)打電話、發(fā)短信時(shí)用戶一般不會(huì)緊握這些部位。

3.3 基站天線

移動(dòng)通信基站天線是手機(jī)用戶用無(wú)線與基站設(shè)備連接的信息出（下行、發(fā)射）入（上行、接收）口，是載有各種信息的電磁波能量轉(zhuǎn)換器。基站發(fā)射時(shí)，調(diào)制后的射頻電流能量

經(jīng)基站天線轉(zhuǎn)換為電磁波能量，并以一定的強(qiáng)度向預(yù)定區(qū)域（手機(jī)用戶）輻射出去；手機(jī)用戶信息經(jīng)調(diào)制后的電磁波能量，由基站天線接收，有效地轉(zhuǎn)換為射頻電流能量，傳輸至主設(shè)備?；咎炀€是電磁波傳輸?shù)牡谝坏揽罩虚l口，它性能的好壞，嚴(yán)重影響到移動(dòng)通信的質(zhì)量。

天線的E面和H面：設(shè)天線最大輻射方向的方向矢量為n1，天線E場(chǎng)方向?yàn)閚2，天線H場(chǎng)方向?yàn)閚3。那么向量n1和n2確定的平面就是E面。n1和n3確定的平面就是H面（表1）。

3.4 藍(lán)牙（Bluetooth）

藍(lán)牙（Bluetooth）是一種傳輸范圍約為10m左右的短距離無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)設(shè)計(jì)在便攜式計(jì)算機(jī)，移動(dòng)電話以及其他的移動(dòng)設(shè)備之間建立起的一種小型、經(jīng)濟(jì)、短距離的無(wú)線鏈路。由于運(yùn)行在統(tǒng)一頻段，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到720bps～1Mbps，包含一套完整的加密和認(rèn)證機(jī)制，因此具有很強(qiáng)的安全性。藍(lán)牙的傳輸距離決定了它可以作為一種小型局域網(wǎng)的終端設(shè)備來(lái)與其他室內(nèi)或隨身的無(wú)線設(shè)備交換數(shù)據(jù)。

如某藍(lán)牙天線的技術(shù)指標(biāo)為：中心頻率：2.45GHz；帶寬：100MHz；增益：1.5dBi；電壓駐波比：2.0（max），主要應(yīng)用于2.4GHz無(wú)線通信、2.4GHz藍(lán)牙模組、藍(lán)牙系統(tǒng)、802.11b/g無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3.5 功分器

功分器是一種將一路輸入信號(hào)能量分成兩路或多路輸出相等或不相等能量的器件，也可反過(guò)來(lái)將多路信號(hào)能量合成一路輸出，此時(shí)可也稱為合路器。一個(gè)功分器的輸出端口之間應(yīng)保證一定的隔離度。功分器的主要技術(shù)參數(shù)有功率損耗（包括插入損耗、分配損耗和反射損耗）、各端口的電壓駐波比，功率分配端口間的隔離度、功率容量和頻帶寬度等。

如某產(chǎn)品說(shuō)明：2.4GHz功率分配器采用微帶結(jié)構(gòu)，帶內(nèi)平坦度好、隔離度高、插損小、駐波性能良好，安裝方便，適用于蜂窩移動(dòng)通信和擴(kuò)頻通信的室內(nèi)分布系統(tǒng)。產(chǎn)品出廠前都經(jīng)過(guò)美國(guó)HP網(wǎng)絡(luò)分析儀的嚴(yán)格檢定。電氣參數(shù)如下。

頻率范圍：800～2500MHz，插入損耗（含分配比） ：≤3.5dB，隔離度：≥20dB，駐波比≤1.4，標(biāo)稱阻抗：50Ω，承載功率：50W，接頭型號(hào)：N座。

3.6 雙向定向耦合器

采用標(biāo)準(zhǔn)BJ-26以及兩個(gè)L-16/50Ω標(biāo)準(zhǔn)同軸陰接頭技術(shù)設(shè)計(jì)而成的雙向定向耦合器。微波功率從1端輸入，從2輸出，則從3端可取得所需衰減值的入射功率的耦合信號(hào)，其衰減值稱為定向耦合器的正向衰減耦合度；從4端可取得所需衰減值的反射功率的耦合信號(hào)，其衰減值稱為定向耦合器的反向衰減耦合度。反向衰減耦合度與正向衰減耦合度之差值的分貝數(shù)稱為該定向耦合器的方向性系數(shù)。為方便應(yīng)用，本產(chǎn)品按對(duì)稱設(shè)計(jì).即：用戶也可從2端輸入微波功率，此時(shí)，1端為微波功率輸出，4端可取入射功率的耦合信號(hào)，3端可取反射功率的耦合信號(hào)（如表2、圖1）。

4結(jié)語(yǔ)

教學(xué)改革是一個(gè)長(zhǎng)期不斷探索、逐步完善的過(guò)程。為了使相關(guān)課程的教學(xué)更好地服務(wù)于學(xué)生，應(yīng)該在教學(xué)內(nèi)容上應(yīng)不斷調(diào)整，適當(dāng)增加一些前沿的、熱門(mén)的知識(shí)點(diǎn)，使枯燥乏味的教學(xué)變得生動(dòng)起來(lái)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，培養(yǎng)出適應(yīng)社會(huì)真正需要的人才。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳玉群，楊立波，王宇，等.《微波技術(shù)與天線》課程教學(xué)改革探索[J].科技資訊，2009（32）：216.

[2] 李素萍，吳偉.“微波技術(shù)與天線”課程教學(xué)改革探討[J].中國(guó)電力教育，2011（8）：108-109.