新工科背景下“電波傳輸與天線”的課程改革與設(shè)計

王菲

（西安交通工程學(xué)院，陜西西安，710300）

0 引言

“電波傳輸與天線”這門課程是電子信息、通信工程等專業(yè)的基礎(chǔ)必修課程，是一門理論性、應(yīng)用性和實踐性都非常強(qiáng)的課程[1][2]。本門課程涵蓋的內(nèi)容包括電磁場理論、微波傳輸線理論、微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)以及天線理論等相關(guān)內(nèi)容[3-5]。一般情況下，在課程教學(xué)過程當(dāng)中，大多數(shù)情況下都是教師主要在課堂授課，并且理論概念抽象、公式推導(dǎo)繁雜、與工程實踐結(jié)合不緊密等問題的存在使對學(xué)生普遍感覺學(xué)習(xí)困難，所以這就在一定程度上打擊了學(xué)生對于學(xué)習(xí)的積極性和主動性。拋開“學(xué)”只管“教”就失去了教學(xué)的根本意義。

新工科教育培養(yǎng)模式主要內(nèi)容包括學(xué)科交叉融合，理工結(jié)合、工工交叉、工文滲透，孕育產(chǎn)生交叉專業(yè)，跨院系、跨學(xué)科、跨專業(yè)培養(yǎng)工程人才的教育模式[6][7]?！靶鹿た啤敝械摹靶隆狈从沉诵聲r代的特色，與傳統(tǒng)工科相比更加注重未來的科學(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，體現(xiàn)交叉學(xué)科之間的融合性[8]。傳統(tǒng)教學(xué)方法已經(jīng)不能滿足“新工科”背景下教學(xué)的要求，面向“新工科”背景下“電波傳輸與天線”教學(xué)改革研究是一個嶄新的命題。

本文針對“電波傳輸與天線”課程出現(xiàn)的上述問題，將新工科教學(xué)模式引入課堂教學(xué)設(shè)計中。以“八木天線”為例，將課堂內(nèi)容分割成不同環(huán)節(jié)，分析該天線在工程中參數(shù)的具體要求和指標(biāo)，在此天線參數(shù)和指標(biāo)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，引出電磁波在空間中的傳輸理論，從而讓理論知識不再枯燥和難懂。

1 新工科教學(xué)模式的課程改革

無線通信過程如圖1所示，發(fā)射機(jī)發(fā)射出來的電磁波通過發(fā)射天線輻射到空間并向四面?zhèn)鞑コ鋈?，如果在電磁波的傳播方向上放一個對稱振子，那么在對稱振子上就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢[9][10]。如果天線和接收設(shè)備是相互連接的狀態(tài)，那么在接收裝置的輸入端就會產(chǎn)生一個高頻電流。這樣的話，此時天線的作用就是接收電磁波，于此同時將電磁波轉(zhuǎn)化為高頻電流。天線接收效果的優(yōu)劣與電波的強(qiáng)弱有關(guān)，同時還和天線的方向性以及半邊對稱振子和接收設(shè)備的匹配性有關(guān)系。整個過程涉及到電波傳輸與天線課程的內(nèi)容，我們會圍繞整個系統(tǒng)來形象的對本課程進(jìn)行設(shè)計。

圖1 無線電通信系統(tǒng)圖

以“八木天線”為例，分析實際工程上研究該天線性能所需要的相關(guān)電參數(shù)，就這些參數(shù)來分析微波的傳輸理論，從而進(jìn)一步分析研究電磁波在空間當(dāng)中的傳輸特性。

1.1 故事引出，增加趣味性

在課程的一開始先給學(xué)生們講述關(guān)于“八木天線”的小故事，讓學(xué)生們了解它的來歷以及發(fā)展進(jìn)程。如圖2所示，八木天線的結(jié)構(gòu)是非常簡單的，它是由由一個有源振子、一個無源反射器和若干個無源引向器平行排列而成的端射式天線。在二十世紀(jì)20年代，由日本東北大學(xué)的八木秀次和宇田太郞兩人發(fā)明了這種天線，被稱為“八木宇田天線”，簡稱“八木天線”。但就是這樣簡單的天線，它的方向性確是很好的，并且比偶極子天線的增益更高[11][12]。那么這個天線在通信系統(tǒng)中如何接收和發(fā)送電磁波，電磁波在空間中如何傳輸？帶著這幾個問題，和學(xué)生們一起進(jìn)入到本門課程的學(xué)習(xí)中。通過這樣的引入，我們相信這不但會增加課程的趣味性，而且還會激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，同時也會帶動學(xué)生們的學(xué)習(xí)動力。

圖2 八木天線

在課堂上，我們可以將抽象的內(nèi)容形象化，讓學(xué)生理解抽象的天線時，可以用我們的耳朵和嘴巴來進(jìn)行類比。我們?nèi)祟惡腿祟愒谶M(jìn)行信息交互的時候，就是用嘴巴來輸出信號，然后耳朵來接收信號。其實在通信的系統(tǒng)當(dāng)中，天線的作用和我們耳朵和嘴巴的作用都是一樣的，發(fā)射端的天線就像嘴巴一樣將信號發(fā)射出去，接收端天線將信號接收到，但是不同的是通信系統(tǒng)當(dāng)中的天線既可以發(fā)送電磁波還可以接收電磁波，即就是有些天線既可以作為發(fā)射端，也可以作為接收端。

1.2 系統(tǒng)拆分，逐個學(xué)習(xí)

（1）天線分析

用以前的收音機(jī)或者是電視機(jī)上面的伸縮桿子來引出來即將要學(xué)習(xí)的天線，收音機(jī)要能夠有效的接收到信號，我們通過拉長或伸縮，亦或是旋轉(zhuǎn)收音機(jī)上的桿子來接收到信號，以此來讓學(xué)生們思考，這些肯定是會影響天線的性能。那么影響天線性能的參數(shù)不只是這幾個。以此來引出來我們即將在天線部分要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。

我們知道，對于一個天線的設(shè)計，我們需要根據(jù)特定環(huán)境下給定的電參數(shù)，如增益、波瓣寬度、副瓣電平、前后輻射比及阻抗帶寬等，以此來確定振子數(shù)、振子間距、振子長度及半徑等的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)；從而進(jìn)一步通過專業(yè)的電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真驗證。

八木天線的工作原理：引向器略短于二分之一波長，主振子等于二分之一波長，反射器略長于二分之一波長，兩振子間距四分之一波長。此時，引向器對感應(yīng)信號呈”容性”，電流超前電壓90°；引向器感應(yīng)的電磁波會向主振子輻射，輻射信號經(jīng)過四分之一波長的路程使其滯后90°恰好抵消了前面引起的“超前”，兩者相位相同，于是信號迭加，得到加強(qiáng)。反射器略長于二分之一波長，呈感性，電流滯后90°，再加上輻射到主振子過程中又滯后90°，兩者加起來剛好差180°，起到了抵消作用。一個方向加強(qiáng)，一個方向削弱，便有了強(qiáng)方向性。發(fā)射狀態(tài)作用過程亦然。如圖3所示為八木天線的增益仿真圖。

圖3 八木天線的增益

（2）傳輸線分析

發(fā)射機(jī)發(fā)送出來的電磁波要被接收天線接收到，它肯定要有一個傳輸設(shè)備，這個設(shè)備就是傳輸線。傳輸線是類似于輸送電磁波能量的設(shè)備，它是把載有需要傳遞的有用信號的電磁波，沿著傳輸線有限的空間從一端輸送到另外一端的設(shè)備[14-15]。

在傳輸線的分析和學(xué)習(xí)上面，我們可以用平時坐火車來進(jìn)行形象的說明，火車上的旅客可以認(rèn)為就是電磁波，傳輸線好比就是火車。當(dāng)車站上的乘客上車后，活動范圍就被限制住了，只能在火車車內(nèi)活動，此時的乘客是隨著火車前進(jìn)的方向向前移動，等到達(dá)目的地，乘客出站后，是完全可以自由活動的，這就像是電磁波在自由空間當(dāng)中進(jìn)行傳播。此時的火車門就可以認(rèn)為是天線。乘客可以在此上車，也可以下車。

如果要使傳輸線輸送的能量被負(fù)載最大化的接收到，就會涉及到阻抗匹配的問題。阻抗匹配的最重要的目的就是要求負(fù)載阻抗和傳輸線的特性阻抗要相等。但是如果負(fù)載阻抗與傳輸線的特性阻抗存在不相等的情況，那么一般情況下就需要我們在傳輸線的輸出端和負(fù)載之間接入一個阻抗變換器，這樣做的目的就會使后者的輸入阻抗而與傳輸線的特性阻抗相等，這就是我們一直說的匹配問題。我們實際在電路設(shè)計和調(diào)試的過程中，通常會借助網(wǎng)絡(luò)分析儀和史密斯圓圖工具，這樣就可以達(dá)到事半功倍的功效。

圖4 Smith圓圖

（3）電磁波傳播特性分析

這一部分的內(nèi)容，首先必須要提的人物就是麥克斯韋，通過給學(xué)生們講解麥克斯韋的人生歷程，以及在整理前人的理論和實驗結(jié)論得出麥克斯韋方程的整個艱辛路程，讓學(xué)生對麥克斯韋方程感到不那么生硬，帶有一部分感情色彩。麥克斯韋的電磁場理論使人類通信發(fā)生了革命性的突破，為無線通信的應(yīng)用徹底改變了人類的通信方式，其中最重要的兩點是：（1）在移動通信方面，擺脫了線路的束縛，真正實現(xiàn)了無處不在的通信；（2）在太空通信方面，為人類實現(xiàn)太空探索提供了通信手段。式（1）為麥克斯韋方程的微分形式和積分形式[16]。

我們知道，發(fā)射機(jī)發(fā)射出來的信號經(jīng)過傳輸線到達(dá)發(fā)射天線，發(fā)射天線把信號傳輸發(fā)送出去，信號攜帶在電磁波上進(jìn)行傳輸，電磁波在傳輸?shù)臅r候，由電流的變化產(chǎn)生磁場，磁場的變化產(chǎn)生電場，再由變化的電場產(chǎn)生磁場……，如此循環(huán)下去，指導(dǎo)衰減完。電場和磁場就是這樣相互垂直的向前傳遞，就像一條索練一樣延伸到無窮遠(yuǎn)。

電磁波和聲波以及光波一樣，可以在空間中傳播，也可以再真空中或者水中傳播。一般情況下，無線傳輸?shù)木嚯x是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在作為饋線的導(dǎo)播系統(tǒng)內(nèi)的傳輸距離的。電磁波在傳輸?shù)倪^程中，是通過電場能量和磁場能量之間的不斷轉(zhuǎn)換向前傳播的，如果電磁波在真空中傳輸?shù)臅r候，就可以無損耗的向前傳播，不需要介質(zhì)或所謂的以太物質(zhì)作為其傳播媒質(zhì)。所以我們在這一部分學(xué)習(xí)的時候，會介紹波在不同介質(zhì)中傳播特性。如圖5所示為波在空間當(dāng)中傳輸特性。

圖5 電磁波傳輸特性

2 結(jié)束語

本文將新工科教學(xué)模式應(yīng)用到《電波傳輸與天線》課程中，以“八木天線”教學(xué)設(shè)計為引導(dǎo)，將新工科模式有效融入到教學(xué)過程當(dāng)中。在自由和諧的課堂情境中，教師采用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法引導(dǎo)鼓勵學(xué)生參與到教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生通過深入地思考討論開展交流互動，從而最終實現(xiàn)良好的教學(xué)目標(biāo)。