楊國斌，張援農，姜春華，孫恒青，朱 鵬

電波傳播與天線專業(yè)的教學實驗研究

楊國斌，張援農，姜春華，孫恒青，朱 鵬

（武漢大學 電子信息學院，武漢 430072）

針對武漢大學電波傳播與天線專業(yè)的特點，利用“電離層探測系統(tǒng)”，設計并實現(xiàn)了電波在電離層中傳播的綜合教學實驗。作者將科學研究設備用于教學實驗的嘗試，使學生對地基電離層探測的原理和方法有了一定的認識，加深了對電離層中的電波傳播理論的理解和認知，對無線電波在空間探測中的應用有了一定的認識，培養(yǎng)了學生利用現(xiàn)代電子信息科學技術對無線電系統(tǒng)及信息獲取進行分析、設計和綜合應用的能力以及科學研究的興趣。

綜合實驗；實踐能力；電波傳播與天線；空間探測

電波傳播與天線專業(yè)應用近代物理學和電子信息科學的基本理論、方法和實驗手段，研究電磁波的輻射、傳播、散射及其在通信、雷達、遙感、導航等領域中的應用。本專業(yè)培養(yǎng)具有堅實數學物理基礎，掌握現(xiàn)代電子信息科學技術的基本理論、基本知識和實驗技能，能運用計算機等現(xiàn)代工具對無線電系統(tǒng)及信息獲取進行分析、設計和綜合應用的高級專門人才。

針對電波傳播與天線專業(yè)開設的部分專業(yè)課程，如《空間探測技術》《空間環(huán)境》《電波傳播及實驗》《天線原理及實驗》《雷達原理》等，我們利用武漢大學電離層實驗室研制的“電離層探測系統(tǒng)”，設計并實現(xiàn)了電波在電離層中傳播的教學實驗。實驗的目的是使學生了解地基電離層探測的主要原理和方法，掌握電離層中的電波傳播理論和電離層的物理特性的信息獲取，培養(yǎng)學生綜合分析、應用的能力和科學研究的興趣［1］。

1 實驗設備和電離層探測原理

武漢大學的“電離層探測系統(tǒng)”是一種新型電離層探測設備，主要用于對系統(tǒng)所在地區(qū)的電離層狀態(tài)進行實時探測和監(jiān)控，它由天線系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、顯控系統(tǒng)和應用軟件組成，如圖1所示［2］。

該系統(tǒng)工作頻率可在整個短波波段的頻率范圍（2～30 MHz）內連續(xù)改變。進行探測時，發(fā)射機產生脈沖調制高頻無線電信號，通過天線垂直向上發(fā)射，在同一地點接收這些脈沖的電離層反射信號，測量出電波往返的傳遞時延，從而獲得反射高度與頻率的關系曲線，即垂直探測的電離層頻高圖；如果從地面向上斜發(fā)射高頻無線電信號，并在一定距離外接收電離層的反射信號，則可以獲得斜向探測的電離層頻高圖。對回波信號進行分析可得到電離層信息和高頻信道特性。

2 綜合實驗的教學設計思想

武漢大學電離層探測儀是應用近代物理學和電子信息科學的基本理論和方法，對無線電系統(tǒng)及信息獲取進行設計、分析和綜合應用的成果。涉及到的專業(yè)知識專業(yè)有：通信原理、射頻電路、數字信號處理、空間探測技術、空間環(huán)境、電波傳播、天線原理、集成電路設計、軟件技術基礎、雷達原理、DSP技術等。而這些正是電波傳播與天線專業(yè)開設的主要專業(yè)課程。我們利用電離層探測儀設計了相應的教學實驗。

圖1 電離層探測儀硬件結構圖

（1）電離層探測技術是一門工程實踐性很強的學科。要完成一個綜合性的實驗項目，必須讓學生對實驗設備、實驗原理、控制系統(tǒng)等進行認知和了解，充分了解系統(tǒng)的使用方法，對學生進行理論知識、方法及技能的培養(yǎng)。

（2）電離層探測技術涉及多學科間的交叉，內容安排要涵蓋多門課程，通過實驗培養(yǎng)學生從整體入手，多方位思考問題的能力，為今后從事科學研究打下良好基礎。

（3）實驗內容要與實際的科學研究相結合。通過合理的實驗項目。學生在選擇實驗項目以后，通過查閱文獻，設計實驗方案和實驗步驟，掌握每個實驗項目的設計方法。學生可以利用項目組的形式進行設計特色探討以及解決實驗設計過程中出現(xiàn)的問題，提高學生自身的設計水平。

（4）實驗應將訓練學生的動手能力和創(chuàng)新能力作為實驗教學的根本任務。學生利用自己設計的實驗控制系統(tǒng)，在設備上進行調試，讓其可實現(xiàn)并具備一定的合理性，最終寫出設計報告并附有設計結果。

傳統(tǒng)的實驗教學大多采用驗證理論的方式，雖然理論得到了驗證，但讓學生實際思考的東西不多，導致學生的學習積極性不高。本實驗的內容開放，可以激發(fā)學生的創(chuàng)造性和學習熱情，開發(fā)學生的創(chuàng)造性思維、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力［3－5］。

3 綜合實驗平臺的建立和實施方法

3.1 綜合實驗平臺的建立

綜合實驗是學生基礎理論與專業(yè)理論知識的綜合運用，幫助學生學會項目的設計方法及應用，使學生在接觸科學儀器的同時受到較全面的系統(tǒng)實驗的訓練，與此同時還要考慮到實驗的適用性和可操作性，提高學生的積極性。為了更好地實現(xiàn)教學實驗，根據“電離層探測儀”的特點，我們設置了如圖2所示的實驗教學平臺。

3.2 綜合實驗的實施方法

實驗項目的設置既要注重先進性和科學性，用科學發(fā)展觀指導學生的題目設計，還要注重知識的覆蓋面，使課題緊跟技術發(fā)展的需要，不斷更新，讓學生實時接觸新技術。同時要切合實際，有可操作性，難易結合，知識點多，學生在操作中能體驗知識運用的樂趣和創(chuàng)新的興趣，并使他們在完成設計時具有成就感，這就會大大地提高學生的實驗興趣和設計積極性［6－7］。

根據“電離層探測系統(tǒng)”的特點和專業(yè)方向，根據圖2所示的實驗平臺，我們設計的教學實驗內容包括以下幾方面［8－9］：

（1）天線系統(tǒng)。根據實驗內容和天線的特性，天線可以選擇對數周期天線、三線式天線、二線式天線、斜拉式天線等。

（2）探測模式和方式。依據項目的設計和研究內容，可以選擇垂測、斜向返回探測方式，以及單站或者雙站探測。

圖2 實驗平臺構建框圖

（3）探測波形的設計和演示。雷達探測技術、擴頻通信技術、偽隨機編碼特性、脈沖壓縮原理、匹配濾波原理。

（4）探測時序的設計和演示。線性調頻連續(xù)波、中斷線性調頻連續(xù)波、脈間相位編碼、脈內相位編碼、收發(fā)控制時序轉換。

（5）電離層電波傳播。通過項目的設計，可以加深對電離層介電特性、傳播路徑、傳播損耗、跳距、正割定理、等效路徑定理、等效虛高定理的理解。

（6）實驗探測結果及物理意義。顯控軟件可以獲得電離層頻高圖、散射函數、多普勒頻移、多徑展寬、最低可用頻率和最高可用頻率、電離層虛高、電離層臨頻、電離層電子濃度分布等電離層信息和高頻信道特性。

根據實驗項目，學生可以自由組合，3～4名一組選擇1個設計項目，每人要有分工，設計報告獨立完成。選題后，通過查閱資料構思實驗計劃、擬定實驗步驟、選擇設計原理、確定系統(tǒng)構成，并寫出詳細的設計方案。學生設計方案確定后，讓學生充分了解實驗設備的結構及控制系統(tǒng)軟件的使用方法后，完成系統(tǒng)硬件配置以及軟件的使用方法的學習，最后完成整個設計和探測調試，經指導教師評閱后進行后續(xù)操作，完成實驗。

3.3 設計要求

（1）在設計過程中，對所選的實驗項目要根據相應的科學目的和實驗室現(xiàn)有的設備，完成硬件配置并選擇相應的天線系統(tǒng)、探測模式、探測時序的設計和探測波形的設計。

（2）設計完成后，在探測過程中對出現(xiàn)的問題要仔細分析、查找原因，并對數據進行記錄，對實驗結果做出分析和總結。

（3）實驗完成后，以論文的形式寫出實驗總結。

4 結束語

基于電離層探測系統(tǒng)的教學實驗的設計，不僅能夠激發(fā)學生學習的興趣，促進學生對科學基礎知識的理解和吸收，同時又能夠讓學生在親自動手的活動中積極地思索，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力。通過這樣的實驗，使學生較為系統(tǒng)地經歷了一次以科學研究為目的的設計訓練，培養(yǎng)并提高了他們的研究能力和創(chuàng)新能力。通過實驗，學生對本專業(yè)的理論知識也有了更深一步的了解，從而提高了理論知識的分析和綜合應用的能力。

［1］武漢大學電子信息學院.武漢大學電子信息學院本科生培養(yǎng)計劃［EB/OL］.［2013－9－15］.http：//eis. whu.edu.cn/channels/21.html

［2］楊國斌，趙正予，陳緒元.基于相位編碼脈沖壓縮體制的電離層探測系統(tǒng)［J］.華中科技大學學報：自然科學版，2009，37（3）：33－35

［3］盧清華，李先祥，葉樹林，等.面向卓越工程師培養(yǎng)的實踐教學改革探索［J］，實驗科學與技術，2013，11（3）：39－42.

［4］鄭春龍，邵紅艷.以創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)為目標的高校實踐教學體系的構建與實施［J］，中國高教研究，2007（4）：85－86.

［5］王文花.深化實驗教學改革的途徑［J］，實驗室研究與探索，2005，24（6）：11－13.

［6］張雅君，周宇，韓英，等.建立實驗室開放平臺培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神與實踐能力［J］，實驗技術與管理，2008，25（2）：23－25.

［7］田東，高平.實施啟發(fā)式的開放實驗教學研究［J］，實驗技術與管理，2006，23（3）：91－93.

［8］李婷，趙正予，蘇凡凡，等.電離層斜向返回探測儀的智能顯控系統(tǒng)設計［J］.北京工業(yè)大學學報，2012，38（7）：1052－1056.

［9］王烽，趙正予，李婷.單站電離層探測系統(tǒng)自動跳頻探測模式的設計與實現(xiàn)［J］.電波科學學報，2009，24（4）：604－609.

Experimental Teaching Study of Radio W ave Propagation and Antennas

YANG Guobin，ZHANG Yuannong，JIANG Chunhua，SUN Hengqing，ZHU Peng
（School Electronic Information，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

According to the characteristics of Radio－wave Propagation and Antenna of Wuhan University，the experiment of radio wave propagation in the ionosphere with ionosonde is designed and adopted in the class.From this experimental teaching，the students could appreciate the theory and methods of ground based ionosphere sounding，the theory of radiowave propagation in the ionosphere，and understand the application of radiowave in the ionosphere detection.The students would obtain the general ability to analysis and design of the radio wave system and the access to the information in terms of basic theory and knowledge ofmodern electronic information technology.

comprehensive experiment；practical ability；radio－wave propagation and antenna；space exploration

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672－4550.2014.05.024

2013－10－15；修改日期：2013－10－31

教育部緊缺專業(yè)、武漢大學國防特色專業(yè)：電波傳播與天線建設資金資助項目。

楊國斌（1983－），男，博士，講師，研究方向：空間探測及信號處理。