天線課程教改實踐

楊凌升

摘要：天線作為高校的一門專業(yè)課程，學生學習起來面對大量數(shù)理公式推導，容易產(chǎn)生畏難情緒。為改善這一問題，筆者在天線教學過程中，通過多媒體輔助、案例教學以及仿真計算，激發(fā)學生學習興趣，強化學生對理論和概念的理解，取得了良好的教學效果。

關(guān)鍵詞：天線；多媒體輔助；案例教學；仿真計算；教改實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）33-0097-02

一、引言

天線課程作為高校電子和通信工程專業(yè)的一門專業(yè)課程，是建立在電磁場與電磁波理論基礎(chǔ)之上的。其內(nèi)容比較廣泛，有著很強的理論性。學好這門課需要理解較多的基于麥克斯韋方程組及其邊界條件的公式推導，進而需要學生有較為扎實的數(shù)理功底。這導致了學生在學習天線課程時，容易產(chǎn)生畏難情緒。而且天線課程作為一門與工程實際聯(lián)系十分緊密的課程，教學中如果過分側(cè)重理論學習將會使這門課變得過于抽象，從而降低學生的學習興趣，這樣就不能充分發(fā)揮學生在高校教育中“學”的作用，最終影響整個課程的教學效果。筆者通過多媒體輔助教學，來增強學生對天線中“能量轉(zhuǎn)換”與“輻射”的理解；通過案例教學，使得對各種種類天線的學習不再枯燥；并使用常用電磁仿真軟件，讓教學做到理論與實踐相結(jié)合，從而取得了良好的教學效果。本文就該課程的基本情況和所做的教改實踐加以介紹。

二、天線課程的特點

該課程作為電子與通信工程專業(yè)的一門專業(yè)課程，其任務是使學生掌握天線的基本概念、基本理論和基本分析方法。內(nèi)容涵蓋了天線所涉及的各個方面的知識，信息量大，理論性強。該課程建立在電磁場與電磁波、高等數(shù)學、向量代數(shù)等基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)之上，又是許多后續(xù)課程如《移動通信》、《智能天線》等的基礎(chǔ)，對后續(xù)課程的學習有著重要的作用。

該課程講授各種類型天線及從電磁流出發(fā)，通過運用前期所學電磁場和高等數(shù)學等相關(guān)知識來分析它們的輻射特性，對學生的理論儲備要求較高。同時，該課程還注重與實踐相結(jié)合，在掌握各種天線特性及相關(guān)理論的同時，還要求學生能夠根據(jù)工程實際，選擇合適的天線種類，并進行相關(guān)設計。

三、教改實踐

（一）多媒體輔助教學

學好天線這門課程需要掌握各類天線在能量轉(zhuǎn)換和定向輻射（或接收）中所發(fā)揮的作用。其中能量轉(zhuǎn)換是將天線作為傳輸線的一部分，將引導的電磁波（高頻電流）依靠終端散射轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚩臻g輻射的電磁波傳向遠方，或是將空間的電磁波轉(zhuǎn)換為傳輸線引導的電磁波（高頻電流）送給接收機。定向輻射則需掌握諸如方向圖，天線口徑，有效高度，定向性、增益，線極化、橢圓極化和圓極化等輻射特性相關(guān)知識點。

要讓學生正確理解并掌握這些物理過程和相關(guān)物理概念，單純依靠教材中的從電氣電子學會的生澀定義出發(fā)，對復雜物理過程進行一系列公式推導，進而得來相應的概念；以及對各類天線結(jié)構(gòu)、特性的二維圖示顯然是不夠的。筆者利用多媒體輔助教學手段，并利用諸如MATLAB等軟件編程設計相關(guān)物理特性以及天線結(jié)構(gòu)性能的動畫過程。通過動畫演示的方式，從傳輸線饋電出發(fā)直至天線輻射單元，將磁場能量轉(zhuǎn)換過程形象直觀的向?qū)W生展示出來，同學們可以從動畫中看出，天線作為一個散射體，將傳輸線中的傳遞的能量，散射至自由空間，天線在整個傳輸過程中可以看出是傳輸線的一部分，只不過由于一些物理結(jié)構(gòu)上的原因（彎曲、突變等），產(chǎn)生了電荷的加速過程，進而引發(fā)了輻射，從而加深了學生對輻射產(chǎn)生的機理的掌握；通過微帶線，同軸饋線等一系列饋電結(jié)構(gòu)的圖形展示，以及結(jié)構(gòu)中電磁場分布的動態(tài)情況，讓學生更好的理解各種饋電結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，方便他們將來在工程設計中選取合適的結(jié)構(gòu)；通過環(huán)繞天線的三維方向圖展示，簡化學生理解諸如共面極化與交叉極化等輻射特性基本概念的過程，并加深同學們對諸如前后比等工程常用知識點的理解；在陣列天線教學中，通過改變天線陣列的陣元間距、陣元個數(shù)、饋電幅度以及饋電相位等要素，進而動態(tài)展示出相關(guān)天線陣的輻射特性相應改變，從而使得天線陣列授課不再是單一的由陣元輻射特性至陣列輻射特性的公式推導，而成為一種直觀的講授過程，也便于學生掌握陣列各要素所發(fā)揮的具體作用。

（二）案例教學

以往的天線課程教學，在介紹完天線課程所需基本理論知識之后，就會按基本振子輻射，線天線，面天線，陣列天線的順序進行逐次教學。教學內(nèi)容主要集中于對不同類型天線的特性（輻射特性，匹配特性等）的分析與講解。學生在學習過程中，雖然掌握了相關(guān)理論知識，卻無法得知相關(guān)類型天線在當今社會能夠有何種應用，從而導致學生缺乏繼續(xù)深入學習的熱情與動力。

筆者在授課中引入實物舉例，如在介紹線性天線時，以鞭狀天線為例，向?qū)W生展示sony公司生產(chǎn)的具有電視接收功能的MP4一體機，通過鞭狀天線的旋轉(zhuǎn)、伸縮，同學們可以清晰發(fā)現(xiàn)所接收信號質(zhì)量的變化，從而加深了對天線的增益及方向圖等特性的理解。在講授單極子天線時，可以結(jié)合學生最常使用的通信工具—手機來進行講授。從傳統(tǒng)具有外置天線的手機進而推廣到現(xiàn)代內(nèi)置天線的手機。內(nèi)置天線的手機往往使用平面倒F型天線，這又是由傳統(tǒng)單極子天線變形演變來的。通過介紹演變的過程，學生很容易接受并掌握相關(guān)天線的性能。

對于天線陣列，在講授典型端射天線陣列——八木宇田天線時，引導同學們從生活周邊進行尋找，進而引出最為常見的電視接收天線，有效活躍課堂氣氛。通過介紹巡洋艦的天線系統(tǒng)，可以讓學生在聽講十分感興趣的軍事知識的同時，自然而然的理解各種天線的用途以及相應設計原理。例如：雙極子天線構(gòu)成了其VHF通信天線；目標指示雷達天線用的是“藥箱”天線或“奶酪”天線，屬于拋物柱面反射器，其饋電是由雙極子天線或者是喇叭天線來實現(xiàn)的；航海導航雷達天線也是由“藥箱”型天線來構(gòu)造，但由于功能不同，只需知道航向和距離的信息，所以天線只需在水平面旋轉(zhuǎn)，而在仰角方面可以使用波束很寬的輻射特性，這又可以衍生出天線口徑與波束寬度的關(guān)系這一非常有用的天線設計知識點，使學生在課堂上獲得的天線相關(guān)知識進一步得到擴展；為了實現(xiàn)目標高度定位與搜尋功能，戰(zhàn)艦則利用的是具有拋物線反射面的天線，與前面介紹的各種類型天線進行比較，同學們可以明顯看出，為了實現(xiàn)不同的需求，天線需要具有不同的功能，進而帶來了天線種類選取以及設計中的不同選擇。通過這種方式，學生上課時的學習熱情明顯提高，因為掌握了各種天線在現(xiàn)代社會的具體應用學習目標也更明確。

同時，天線是一門擁有悠久歷史的學科，在進行案例教學的過程中，筆者做到“與史結(jié)合”，通過對各時期杰出人物（海恩里克赫茲，奧利弗洛奇，Jagadis Chandra Bose，馬可尼等）的回顧，以及他們?nèi)〉玫南鄳晒故竞退〉贸晒趯獣r代所能完成的具體使命介紹，從而使得各類天線的產(chǎn)生以及其結(jié)構(gòu)設計變得有源可尋，同學們在學習中可以做到“以史為鑒”，可以針對當代通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進行進一步的思考，探求天線發(fā)展與設計的新思路、新方法。

（三）仿真設計

天線課程與實際工程應用聯(lián)系非常緊密，是一門具有很強實踐性的課程。要想讓學生學好這門課，就一定要做到理論與實踐的無縫銜接。然而天線實驗由于受到試驗場地要求高，測試設備昂貴，天線單元制作要求高、周期長等因素的限制，很難在教學環(huán)節(jié)順利展開。

針對以上問題，筆者提出以讓學生使用商業(yè)電磁仿真軟件，如Ansoft HFSS，IE3D，F(xiàn)EKO等來仿真設計天線實例。以HFSS（High Frequency Structure Simulator）為例，經(jīng)過二十余年的發(fā)展，HFSS已成為業(yè)界公認的三維電磁場分析與設計的工業(yè)標準。它擁有簡潔直觀的用戶設計界面，基于有限元法的精確自適應的場求解器，以及卓越的前電性能分析能力的后處理器。從而能夠設計計算任意形狀的三維天線結(jié)構(gòu)，求解其S參數(shù)和全波電磁場。所得結(jié)果可以較為準確的反應天線的實際工作情況，做到仿真結(jié)果與實測基本吻合。利用這些軟件對天線進行仿真計算具有開發(fā)效率高，結(jié)果簡單明了等優(yōu)點。學生通過這些工程軟件建立所需研究的天線模型，并根據(jù)實際工程需求，設定相應的掃描頻率、信號源、邊界條件等，通過這一系列計算前期條件的設定，可以有效地加強對天線工作機理的理解。模型設定完成后，可以通過電磁仿真軟件進行仿真運算，并得到諸如阻抗、帶寬、增益、效率、S參數(shù)、天線駐波比、Smith圓圖、遠場方向圖剖面、遠場三維方向圖特性等結(jié)果；并可以繪制極化特性，包括球形場分量、圓極化場分量和軸比等。學生在整理相應結(jié)果的過程中，可以進一步理解各個參數(shù)的意義以及他們之間的關(guān)聯(lián)性。這些結(jié)果最終又可以和前期的天線理論學習起來，便于學生回顧，在動手與思考中加深理解，既鍛煉了學生的實際操作能力，又提高了學生的理解能力，充分發(fā)揮了學生學習的主觀能動性有助于教師提高教學質(zhì)量。

四、結(jié)束語

在天線課程的教學過程中，筆者通過多媒體輔助、案例教學以及仿真設計等方法，成功的使學生產(chǎn)生了學習天線的興趣，充分調(diào)動了他們的主觀能動性，進而強化了課堂教學的效果。

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