《無線通信電波傳播與天線》課程的教學(xué)探索

《無線通信電波傳播與天線》是通信工程專業(yè)與電子信息工程專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程具有極強的理論性和抽象性，不僅需要掌握電磁場與電磁波的基本概念、規(guī)律和分析方法，獲得電磁場系統(tǒng)的計算方法、仿真技術(shù)，還需要利用大學(xué)物理課程中培養(yǎng)的抽象性思維、數(shù)學(xué)表達(dá)概念及其推算結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，本課程將涵括電波傳播的理論及各種傳播方式的特點、鏈路預(yù)算、天線輻射的基本原理、天線的類型和特點等主要內(nèi)容。通過本課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)將有助于移動通信、射頻通信電路、微波與衛(wèi)星通信等后續(xù)專業(yè)課程的開展。

本文針對該課程內(nèi)容多、學(xué)時少、理論性強和應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點，以加強基礎(chǔ)、強化實踐、注重創(chuàng)新為出發(fā)點，著眼于探索如何有效合理地開展《無線通信電波傳播與天線》課程的教學(xué)，并結(jié)合學(xué)生的特點探索如何合理的安排課程內(nèi)配套實驗，進而激發(fā)學(xué)生的積極性，提高教學(xué)效果。

一、著重掌握物理意義

在無線通信領(lǐng)域，電磁波傳播是通信系統(tǒng)評估與設(shè)計的基礎(chǔ)，天線是無線電設(shè)備中發(fā)射或接收電磁波的載體，因而該課程是無線電科學(xué)的重要分支，是研究電磁波與傳播媒體相互作用，及其在無線電通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對抗、遙感等工程系統(tǒng)中應(yīng)用的重要課程。

不論是電波的傳播理論，傳播類型及其基本特點，還是天線輻射的基本原理、輻射特性及應(yīng)用技術(shù)，都需要利用數(shù)學(xué)物理方程、微波技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)值計算方法、大學(xué)物理及電磁場與電磁波等基礎(chǔ)知識。在解決具體的工程問題時，需要結(jié)合應(yīng)用場景、臨界條件、技術(shù)指標(biāo)等做出詳細(xì)的理論推導(dǎo)或證明，這就使得該課程理論性很強，同時，也體現(xiàn)了課程的實用性。因而在課程內(nèi)容設(shè)計時，就需要結(jié)合對技術(shù)應(yīng)用型通信與信息類學(xué)生設(shè)定的培養(yǎng)方案與學(xué)習(xí)能力，對理論與實驗內(nèi)容做全面的規(guī)劃。

根據(jù)《無線通信電波傳播與天線》的課堂講授、實踐環(huán)節(jié)與考核效果，并結(jié)合強理論性的特點，采用微課或慕課導(dǎo)入的方式加強學(xué)生對背景的了解，采取反演的模式幫助學(xué)生理解電波傳播的機理和天線的輻射原理及特點，著重要求學(xué)生掌握物理本質(zhì)，進而加強學(xué)生對電波傳播與天線的感知。比如，天線極化是指該天線在給定方向上遠(yuǎn)區(qū)場輻射電場的空間取向，是指在與傳播方向垂直的平面內(nèi)，場矢量變化一周期失端描出的軌線。首先，解釋與天線輻射的電磁波方向性相關(guān)的基本概念。然后，強調(diào)電磁輻射產(chǎn)生的近場和遠(yuǎn)場分布情況。進而從本質(zhì)上將天線的極化問題轉(zhuǎn)化為空間指向與場分布情況，從而有助于從宏觀上理解天線的輻射原理和分類。

二、實際應(yīng)用中，強調(diào)天線的技術(shù)問題

在實際應(yīng)用中，需要結(jié)合具體的需求對天線的電指標(biāo)進行選擇和設(shè)計，這不僅要求從本質(zhì)上掌握天線輻射的基本原理和影響電指標(biāo)變化的因素，還需要深入地進行理論分析和嚴(yán)格推導(dǎo)，如此復(fù)雜抽象化的過程降低了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性。鑒于此，在課堂講授中，以架設(shè)室內(nèi)小蜂窩場景下的收發(fā)天線為例，對比不同供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)，折中考慮可選天線的適用頻段、測試帶寬、極化方式、尺寸及成本等技術(shù)問題，并應(yīng)用場景下的鏈路進行預(yù)算，進而做出合理的選擇，提高學(xué)生解決簡單工程問題的能力。

三、強化理論與實踐教學(xué)，增加與學(xué)生互動

學(xué)生是整個教學(xué)活動的主體，因而在設(shè)計課堂與實踐教學(xué)環(huán)節(jié)時，應(yīng)圍繞學(xué)生的接受能力設(shè)計教學(xué)計劃、教學(xué)大綱和考試大綱，并實時與學(xué)生進行交流互動，了解掌握情況，進而調(diào)整對重點和難點知識點講授的方法。

由于《無線通信電波傳播與天線》課程中的天線涉及到許多理論推導(dǎo)，若學(xué)生只是一味地學(xué)習(xí)書本知識很難深刻的理解天線的功能和用途。鑒于此，通過開設(shè)實驗課，學(xué)生可以熟悉天線的設(shè)計方法和流程，實地觀察和了解對數(shù)周期天線、八木天線、喇叭天線、單極天線、圓極化貼片天線、拋物面天線等工程常用天線的構(gòu)造，并掌握天線方向圖、增益和極化特性等電指標(biāo)參數(shù)以及電波傳播損耗的測量方法。學(xué)生也可以自己設(shè)計測試方案、選擇儀器儀表進行創(chuàng)新性實驗探索。從而通過測試，了解各類天線的性能和優(yōu)劣性以及輻射波在空間的傳播特性。通過使用電磁仿真軟件對天線進行設(shè)計與仿真以及天線重要電參數(shù)和電波傳播損耗的測量，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計開發(fā)和動手測試的能力。

四、解決專業(yè)知識銜接問題，提高教學(xué)效果

該課程需要扎實的數(shù)理基礎(chǔ)和抽象思維，因此在前期導(dǎo)向課程的教學(xué)活動中，比如大學(xué)物理、電磁場與電磁波等，對相關(guān)的基本知識點做介紹。例如大學(xué)物理中的麥克斯韋方程組知識點在電波傳播、電磁場課程中的銜接；電場強度分布情況知識點與該課程天線輻射的銜接。除了與前導(dǎo)向課程的銜接，還需要結(jié)合電波傳播與天線的上技術(shù)發(fā)展，增加該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展前言，激發(fā)學(xué)生對課程的興趣，比如講授天線類型及特點時，補充智能天線、大規(guī)模天線等相關(guān)理論。

五、結(jié)論

通過以上對《無線通信電波傳播與天線》課程教學(xué)的探索研究，我們以學(xué)生為主體，結(jié)合應(yīng)用型學(xué)生的特點調(diào)整理論與實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，重點強調(diào)電波傳播與天線的物理意義與實際應(yīng)用，以線上慕課微課的方式加深學(xué)生對重點、難點知識的感知，提高學(xué)生對課程的熱情和學(xué)習(xí)的積極性，進而獲得較好的教學(xué)效果。同時，通過前向與后續(xù)課程的銜接，使學(xué)生掌握電子技術(shù)基礎(chǔ)知識體系和信息通信領(lǐng)域的基本理論與方法，進而具有運用理論知識解決復(fù)雜工程問題的能力。

（作者單位：重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院）