“微波與天線”課程促進(jìn)通信工程專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)的探析

何山紅 解良玉 紀(jì)萌茜

[摘 要] 針對(duì)通信工程中與“微波與天線”課程內(nèi)容晦澀難以理解的情況，在課本之外，有針對(duì)性地增添一些富有特色的內(nèi)容，將“微波與天線課程”與“通信原理”及相關(guān)課程緊密結(jié)合起來(lái)，不但可以促進(jìn)學(xué)生更好地學(xué)習(xí)通信工程專(zhuān)業(yè)，更好地理解“微波與天線”課程，還可以拓寬學(xué)生的專(zhuān)業(yè)視野，激發(fā)起學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)和該課程的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 微波與天線;通信工程;專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)

[基金項(xiàng)目] 安徽工業(yè)大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目“《微波技術(shù)》課堂教學(xué)質(zhì)量現(xiàn)狀分析與提升策略研究”

[作者簡(jiǎn)介] 何山紅（1973—），男，湖南南縣人，碩士，安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院教授，主要從事天線理論與技術(shù)研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）29-0273-02 ? ?[收稿日期] 2019-10-12

一、引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，很多學(xué)校相繼開(kāi)設(shè)了通信工程這個(gè)專(zhuān)業(yè)，但在專(zhuān)業(yè)的建設(shè)初期，往往存在師資力量不夠、教學(xué)平臺(tái)缺乏等情況，再加上該專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)性強(qiáng)，理論要求高，有些概念比較抽象，不好理解，慢慢地一些學(xué)生會(huì)對(duì)該專(zhuān)業(yè)失去興趣，甚至產(chǎn)生厭學(xué)的情緒。如何最大程度地利用好現(xiàn)有資源，促進(jìn)通信工程學(xué)生的專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)，是很多學(xué)校面臨的問(wèn)題。本文將說(shuō)明如何利用“微波與天線”這門(mén)專(zhuān)業(yè)課程來(lái)促進(jìn)通信工程的專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)?！拔⒉ㄅc天線”課程是通信工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課，通過(guò)該課程，可以了解作為通信信號(hào)載體的電磁波的產(chǎn)生、發(fā)射、接收和處理的過(guò)程。

二、微波與天線在通信系統(tǒng)或相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用拓寬學(xué)生視野

現(xiàn)在的通信絕大部分采用的是無(wú)線通信，即使采用有線傳輸?shù)墓饫w通信，其實(shí)質(zhì)也是采用光波進(jìn)行傳播。通過(guò)將微波與超短波、短波相比較，分析出微波頻帶寬，傳輸信息容量大;不易受到外界的干擾;工作波長(zhǎng)短，同樣情況下天線增益高，信號(hào)傳播距離遠(yuǎn)。同時(shí)因?yàn)椴煌l段的電磁波穿透性能不一樣，因此可以廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、蜂窩移動(dòng)通信、天波通信、微波中繼通信、集群通信、局域網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域。通過(guò)分析微波的似光性、直線性、波動(dòng)性和散射性，闡述了與通信相關(guān)的雷達(dá)、遙感遙測(cè)、微波成像和電子對(duì)抗等信息系統(tǒng)的基本工作原理。在講授傳輸線理論時(shí)，駐波工作狀態(tài)下，電磁波在矩形波導(dǎo)中傳播時(shí)，會(huì)周期性地出現(xiàn)一些電壓峰值點(diǎn)，在波導(dǎo)壁上電壓峰值點(diǎn)的位置開(kāi)一些輻射縫隙，這些縫隙輻射的電磁波不但可以用來(lái)進(jìn)行通信，也可以利用峰值點(diǎn)的周期性來(lái)進(jìn)行記數(shù)。

三、微波與天線課程幫助理解通信概念

通信工程是一個(gè)系統(tǒng)工程，是由多個(gè)專(zhuān)業(yè)或者說(shuō)多門(mén)課程組成的。部分核心課程，如“通信原理”，由于牽涉的知識(shí)較多，且有些概念比較晦澀難懂，限于時(shí)間和條件限制，很難講授的面面俱到。因此在講授“微波與天線”課程時(shí)，針對(duì)“通信原理”中與“微波與天線”有關(guān)但又難以理解或者特別重要的內(nèi)容，有針對(duì)性地制訂教案，可以便于學(xué)生深刻掌握通信中的許多概念。如講解波導(dǎo)元件時(shí)，課堂上利用波導(dǎo)正交模實(shí)物，通過(guò)分析波導(dǎo)正交模的工作原理，可以讓學(xué)生理解同一個(gè)頻率的信號(hào)可以通過(guò)電磁波的振動(dòng)方向（極化）不同而進(jìn)行分離。同一個(gè)頻率的信號(hào)可以通過(guò)極化處理，分配給多個(gè)用戶，可以提高頻譜的利用率。進(jìn)而可以解釋通信中的“極化分集”“頻譜復(fù)用”等專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ);在講授天線方向圖時(shí)，通過(guò)分析天線方向圖的副瓣電平、后瓣電平和交叉極化電平的形成原理和這些參數(shù)對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響，才會(huì)讓學(xué)生深入理解蜂窩移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信等系統(tǒng)的通信協(xié)議中對(duì)天線的要求，也才會(huì)讓學(xué)生深入掌握“副瓣電平”“后瓣電平”和“交叉極化電平”等這些專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)。

很多學(xué)生對(duì)通信工程理解不夠深刻，很難意識(shí)到通信工程是一個(gè)系統(tǒng)工程，由多個(gè)專(zhuān)業(yè)共同組成。因此講授“微波與天線”課程時(shí)，有意讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到通信工程是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要系統(tǒng)地學(xué)習(xí)每門(mén)課程。如通過(guò)實(shí)物圖片講授微帶線在微波功率放大器中的應(yīng)用時(shí)，給學(xué)生講解這個(gè)放大器不但要輸入＼輸出滿足要求的微波信號(hào)，還需要利用軟件和常規(guī)電路對(duì)信號(hào)的狀態(tài)進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)，需要設(shè)計(jì)模擬電路、數(shù)字電路和嵌入式軟件等，不可能孤立地設(shè)計(jì)微波有源電路;在講授天線的作用時(shí)，天線除了接收和發(fā)射電磁波外，還可以將多個(gè)天線排列在不同的空間位置，每個(gè)天線接收到的信號(hào)特征是不相同的，再對(duì)每個(gè)天線接收的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間上的累積，然后對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理，可以判斷出發(fā)射信號(hào)的方向，從而抑制不需要的干擾信號(hào)，可以提高通信質(zhì)量。從而讓學(xué)生明白，不僅通信系統(tǒng)是多個(gè)專(zhuān)業(yè)的結(jié)合體，即使通信系統(tǒng)中的天線也是與時(shí)空信號(hào)處理等緊密融合在一起的;同時(shí)結(jié)合自己研制的移動(dòng)衛(wèi)星通信天線系統(tǒng)（天線系統(tǒng)由天線陣列、微波接收/發(fā)射系統(tǒng)、天線伺服控制系統(tǒng)、基帶信號(hào)處理部分組成）給學(xué)生講解，移動(dòng)衛(wèi)星通信天線系統(tǒng)中的天線陣列和天線伺服控制系統(tǒng)是整個(gè)移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，決定著整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。通過(guò)這些例子可以讓學(xué)生深刻理解通信工程，從而會(huì)更加全面地學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)課程。

四、微波與天線課程助力其他專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)

“微波與天線”課程除了與“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”和“電磁場(chǎng)理論”等課程緊密相關(guān)之外，還與一些看似無(wú)關(guān)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系，通過(guò)該課程將更多的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程聯(lián)系起來(lái)，可以鞏固更多的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)效果。在學(xué)習(xí)“微波與天線”課程之前，會(huì)問(wèn)學(xué)生，你們?yōu)槭裁磳W(xué)習(xí)過(guò)“低頻電路”，還要學(xué)習(xí)“高頻電路”？學(xué)習(xí)了“高頻電路”，為什么今天還要學(xué)習(xí)“微波與天線”課程，高頻與微波的差異是什么，是否提前思考過(guò)？在通過(guò)實(shí)物圖片講授微帶線在微波有源電路中的應(yīng)用時(shí)，會(huì)讓學(xué)生觀察圖片中微波電路部分和控制等低頻電路形式上會(huì)有什么差異？通過(guò)這樣的啟發(fā)式的教學(xué)，讓學(xué)生明白微波與低頻和高頻有共性但又具有特殊性。微波與低頻和高頻在許多特性上具有共性，一些分析低頻和高頻的方法也可以拿來(lái)分析微波。但由于微波工作頻率很高，振蕩周期短，在微波傳輸電路中從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的電效應(yīng)的傳播時(shí)間是不可忽略的，因此必須用隨時(shí)間、空間變化的參量來(lái)描述其特征。因此在分析其特性時(shí)更多時(shí)候得采用一些特殊的分析方法;在講解微波濾波器的工作原理時(shí)，會(huì)提醒學(xué)生，你們知道低頻或者高頻的電容或者電感是基于什么原理實(shí)現(xiàn)的嗎？通過(guò)微波濾波器的等效電路說(shuō)明微波電路中的電容和電感均是設(shè)計(jì)者利用電容和電感的物理定義自己實(shí)現(xiàn)的;在講解微波網(wǎng)絡(luò)理論時(shí)，將一個(gè)微波系統(tǒng)（網(wǎng)絡(luò)）看成一個(gè)黑匣子，散射參數(shù)描述的是信號(hào)通過(guò)該系統(tǒng)時(shí)，輸入/輸出端的信號(hào)的特征，利用微波網(wǎng)絡(luò)理論不但可以描述端口的信號(hào)特征，同時(shí)也可以作為一種用來(lái)求解端口的信號(hào)特征的數(shù)學(xué)方法。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在“微波與天線”課程中增添一些針對(duì)性強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容，可以拓寬學(xué)生的專(zhuān)業(yè)視野，幫助學(xué)生理解通信概念，助力專(zhuān)業(yè)課或者專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)，這樣不但可以更好地促進(jìn)通信工程專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)，還可以促進(jìn)“微波與天線”課程的學(xué)習(xí)。

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