電磁場、微波技術(shù)與天線課程的三種教學(xué)方法

亓協(xié)興 趙元元

【摘要】“電磁場、微波技術(shù)與天線”是電子信息類和通信類專業(yè)的專業(yè)課，涉及大量的理論和公式，是一門公認(rèn)的難教難學(xué)的課程?；诖?，本文探討了三種教學(xué)方法：重視緒論；聯(lián)系現(xiàn)實(shí)生活；采用虛擬仿真工具。此三種方法在教學(xué)過程中的恰當(dāng)運(yùn)用不僅可以使抽象難懂的公式、現(xiàn)象變得容易理解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、降低學(xué)習(xí)難度，而且使教師本人的科研與教學(xué)融為一體，以教促研、教研結(jié)合。

【關(guān)鍵詞】電磁場 微波技術(shù) 天線 教學(xué)方法

【課題項(xiàng)目】2017年度洛陽師范學(xué)院高等教育教改項(xiàng)目 《電磁場微波技術(shù)與天線》課程改革與建設(shè)（69）。

【中圖分類號(hào)】G424 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）49-0166-02

工信部2017年發(fā)布的《信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》明確提出，2020年啟動(dòng)5G商用服務(wù)。這一消息表明作為信息主要載體的高頻電磁波——微波，在無線通信領(lǐng)域得到了更廣泛的應(yīng)用。因此，對(duì)于電子信息類和通信類專業(yè)的學(xué)生來講，電磁場、微波技術(shù)與天線課程的學(xué)習(xí)在當(dāng)前與今后都占據(jù)著非常重要的地位。本文主要根據(jù)該課程的特點(diǎn)，從三方面探討如何更有效的進(jìn)行課堂教學(xué)，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到該課程的教學(xué)目的。

一、緒論的重要性

一堂精彩的緒論課能夠激發(fā)學(xué)生的求知欲望，令學(xué)生在整個(gè)課程的學(xué)習(xí)中都保持良好的狀態(tài)[1]。電磁場、微波技術(shù)與天線課程涵括了電磁場理論、微波技術(shù)基礎(chǔ)與天線基礎(chǔ)三方面內(nèi)容。每一方面講解前都可以安排相應(yīng)的緒論課。如電磁場理論方面，從整個(gè)電磁波譜的劃分引入，聯(lián)系當(dāng)前已廣泛使用的WIFI通信及即將開始商用的5G通信，結(jié)合中學(xué)物理涉及到的電磁理論內(nèi)容，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；再如微波技術(shù)方面，微波是頻率300MHz～300GHz范圍內(nèi)的電磁波，符合電磁場理論方面的規(guī)律，以電磁場理論為基礎(chǔ)引入其似光性、高頻性、寬頻性及穿透性等特性，并分別展開作簡要描述，留下現(xiàn)實(shí)生活中與此有關(guān)的問題，使學(xué)生對(duì)微波技術(shù)有概括的了解并有主動(dòng)學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)；又如天線基礎(chǔ)方面，以家中電視機(jī)連接的外置八木天線為開端，從技術(shù)成熟的民用常見天線——收音機(jī)的拉伸式天線、路由器直立型鞭狀天線、車載的鯊魚鰭天線甚至手機(jī)中的微帶天線，到高科技含量的軍用天線——體陣列的SBX、面陣列的“鋪路爪”及KLJ-7A，以此說明天線對(duì)日常生活、工作的重要性，無形之中將學(xué)生帶入天線的世界。

二、與現(xiàn)實(shí)生活相聯(lián)系

中學(xué)教育主要采用探究式方法，大學(xué)教育主要采用啟發(fā)式方法，教育方法的不同導(dǎo)致教材內(nèi)容差別較大。中學(xué)教材有非常多的與現(xiàn)實(shí)生活聯(lián)系緊密的內(nèi)容，相反，大學(xué)教材注重理論學(xué)習(xí)，概括性較強(qiáng)，實(shí)際生活的具體例子較少。但電磁場、微波技術(shù)與天線課程實(shí)踐性與應(yīng)用性非常強(qiáng)，理論學(xué)習(xí)聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用對(duì)于該課程尤為重要。與其他課程相比，電磁場理論、微波技術(shù)和天線理論知識(shí)抽象、公式推導(dǎo)枯燥繁雜，學(xué)生反映晦澀難懂，學(xué)習(xí)興趣不高，教師在授課過程中需克服以上缺點(diǎn)，將影響降到最低。雖然課程理論抽象，但是其在日常生活中的應(yīng)用卻是非常普遍。這就要求授課教師引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)，并將所學(xué)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系，加深對(duì)知識(shí)的理解。例如，洗衣機(jī)洗衣服時(shí)的水位中心低周邊高就是因?yàn)榇嬖阡鰷u源，是一個(gè)有旋場；用于傳輸有線電視信號(hào)的同軸電纜與機(jī)頂盒接口處，若接駁姿態(tài)不正確會(huì)產(chǎn)生“花屏”，這是行駐波在作祟；由于調(diào)幅電臺(tái)發(fā)射的是垂直極化波，在室外收聽調(diào)幅廣播，收音機(jī)天線要垂直放置；家用的衛(wèi)星電視接收器需對(duì)準(zhǔn)某個(gè)方向方能使電視信號(hào)清晰，是因?yàn)榻邮仗炀€存在方向性參數(shù)；晚上收聽到的電臺(tái)比白天多可以用天波傳播知識(shí)來解釋；趨膚效應(yīng)的存在迫使與水下潛航器通信需要架設(shè)幾十甚至上百公里的長波天線；手機(jī)通話過程中出現(xiàn)的“呲呲”噪音及無法通話狀態(tài)多數(shù)情況是由于信號(hào)傳輸信道質(zhì)量下降，導(dǎo)致實(shí)際損耗增加。在授課過程中，穿插諸如此類的生動(dòng)形象的例子，能夠引起學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，同時(shí)能夠培養(yǎng)學(xué)生自主觀察、自主思考、自主解答的良好學(xué)習(xí)習(xí)慣。

前文所述，大學(xué)課程比中學(xué)課程更有廣度、更有深度，但并不意味著兩者存在鴻溝，毫無聯(lián)系。相反，中學(xué)知識(shí)是大學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)，大學(xué)知識(shí)是中學(xué)知識(shí)的升華。因此，在講授該課程時(shí)，可適時(shí)回顧中學(xué)相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，以學(xué)生已熟練掌握的知識(shí)為基礎(chǔ)，逐步過渡到大學(xué)課程內(nèi)容，使學(xué)生更容易理解掌握。例如，位移電流密度J=■，其量綱為（C /m2）/s，可化簡為A/m2，量綱與中學(xué)傳導(dǎo)電流密度一致，即可將位移電流密度與傳導(dǎo)電流密度對(duì)比著記憶、理解；再如復(fù)雜的麥克斯韋方程組，其中的全電流定律與法拉第定律中學(xué)物理都有所講解甚至進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)操作，以此為基礎(chǔ)，結(jié)合高等數(shù)學(xué)微積分知識(shí)即可推導(dǎo)出麥克斯韋方程組；又如群速度色散，可從眾所周知的三棱鏡效應(yīng)入手，太陽光經(jīng)過三棱鏡之后會(huì)產(chǎn)生彩虹色光，這是因?yàn)樘柟馐怯深l率不同單色光組成的復(fù)色光，三棱鏡的媒質(zhì)參數(shù)與電磁波的頻率有關(guān)，為色散媒質(zhì)，再以中學(xué)的“速度”類比“群速度”之后就比較容易理解群速度色散。

三、采用虛擬仿真工具

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為：世界是客觀存在的，但是對(duì)于世界的理解和賦予意義卻是由每個(gè)人自己決定的。學(xué)習(xí)不是由教師把知識(shí)簡單地傳遞給學(xué)生，而是在一定的情景下，由學(xué)生自己建構(gòu)知識(shí)的過程。依據(jù)這一理論，將抽象性與直觀性相統(tǒng)一，恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用直觀性教學(xué)可以更好地為學(xué)生創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情景，引導(dǎo)學(xué)生的抽象性思維，建立直觀深刻的認(rèn)知。

對(duì)于本課程來講，電磁場是抽象的，看不見摸不著，學(xué)生很難建立直觀感受。這時(shí)，就可以通過虛擬仿真軟件將抽象的電磁場直觀的呈現(xiàn)出來[2]。目前，電磁場、微波技術(shù)與天線課程涉及到的虛擬仿真軟件有HFSS、Microwave Office、ADS、CST、MATLAB和Smith圓圖等。結(jié)合實(shí)際教學(xué)情況，我們選用了HFSS與MABLAB兩款軟件作為虛擬仿真工具。在使用仿真工具過程中，學(xué)生不僅掌握了軟件的使用方法，還可以在教材中找到對(duì)應(yīng)的理論依據(jù)，加深對(duì)理論知識(shí)的理解。

例如，在使用HFSS設(shè)計(jì)一款微波波段的半波對(duì)稱振子天線的課題中，需要設(shè)置激勵(lì)的頻率及天線尺寸，頻率決定波長、波長決定天線尺寸，從理論知識(shí)可知它們是相互關(guān)聯(lián)的；天線臂材料要根據(jù)決定材料屬性的介電常數(shù)ε、磁導(dǎo)率μ和電導(dǎo)率σ等參數(shù)進(jìn)行選擇；設(shè)置輻射邊界需考慮電磁波通過兩種不同媒質(zhì)時(shí)滿足的邊界條件；還需應(yīng)用鏡像原理來設(shè)置無限大地平面以確保符合現(xiàn)實(shí)情況。教材給出了半波對(duì)稱振子天線的平面方向圖（圖1（a）），非常抽象，空間想象力不強(qiáng)的學(xué)生難以理解。使用HFSS軟件可得到立體方向圖（圖1（b）），對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，立體方向圖含有的信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平面方向圖，并且更加直觀。

又如，工程上常采用的兩個(gè)特定正交平面方向圖——E面與H面方向圖。E面指電場強(qiáng)度矢量與最大傳播方向構(gòu)成的平面，H面指磁場強(qiáng)度矢量與最大傳播方向構(gòu)成的平面。僅僅根據(jù)文字描述來理解抽象定義，難度是比較大的。此時(shí)可根據(jù)電基本振子的歸一化方向函數(shù)，通過MATLAB軟件畫出其形象的立體方向圖，如圖2所示。在此立體方向圖的基礎(chǔ)上，分析E面與H面就容易得多。E面即正視圖，為“8”字型；H面即俯視圖，為圓形。相對(duì)繁瑣枯燥的公式，學(xué)生對(duì)圖形的記憶要更深刻、理解會(huì)更透徹。

四、結(jié)語

雖然“電磁場、微波技術(shù)與天線”課程難教難學(xué)，但無線通信技術(shù)的發(fā)展使得該方向的人才嚴(yán)重短缺，因此如何使學(xué)生學(xué)懂該課程顯得非常重要。本文介紹了三種教學(xué)方法，每一種方法都不單純是老師的講授，需要與學(xué)生互動(dòng)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，如此才能達(dá)到教學(xué)的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣鐵珍，廖同慶.“微波技術(shù)與天線”教學(xué)：與工程應(yīng)用相結(jié)合[J].教育與教學(xué)研究， 2014（6）：78-80.

[2]宋錚，張建華，唐偉.電磁場微波技術(shù)與天線[M].西安電子科技大學(xué)出版社， 2017.

作者簡介：

亓協(xié)興（1989-），男，山東聊城人，講師，電磁場與微波技術(shù)專業(yè)博士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算電磁學(xué)及天線應(yīng)用。

趙元元（1987-），女，山東聊城人，副科級(jí)教學(xué)秘書，主要研究方向?yàn)楦叩冉逃芯俊?/p>