楊凌升

摘要：天線作為高校的一門(mén)專(zhuān)業(yè)課程，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)面對(duì)大量數(shù)理公式推導(dǎo)，容易產(chǎn)生畏難情緒。為改善這一問(wèn)題，筆者在天線教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)多媒體輔助、案例教學(xué)以及仿真計(jì)算，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論和概念的理解，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：天線；多媒體輔助；案例教學(xué)；仿真計(jì)算；教改實(shí)踐

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）33-0097-02

一、引言

天線課程作為高校電子和通信工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)課程，是建立在電磁場(chǎng)與電磁波理論基礎(chǔ)之上的。其內(nèi)容比較廣泛，有著很強(qiáng)的理論性。學(xué)好這門(mén)課需要理解較多的基于麥克斯韋方程組及其邊界條件的公式推導(dǎo)，進(jìn)而需要學(xué)生有較為扎實(shí)的數(shù)理功底。這導(dǎo)致了學(xué)生在學(xué)習(xí)天線課程時(shí)，容易產(chǎn)生畏難情緒。而且天線課程作為一門(mén)與工程實(shí)際聯(lián)系十分緊密的課程，教學(xué)中如果過(guò)分側(cè)重理論學(xué)習(xí)將會(huì)使這門(mén)課變得過(guò)于抽象，從而降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，這樣就不能充分發(fā)揮學(xué)生在高校教育中“學(xué)”的作用，最終影響整個(gè)課程的教學(xué)效果。筆者通過(guò)多媒體輔助教學(xué)，來(lái)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)天線中“能量轉(zhuǎn)換”與“輻射”的理解；通過(guò)案例教學(xué)，使得對(duì)各種種類(lèi)天線的學(xué)習(xí)不再枯燥；并使用常用電磁仿真軟件，讓教學(xué)做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，從而取得了良好的教學(xué)效果。本文就該課程的基本情況和所做的教改實(shí)踐加以介紹。

二、天線課程的特點(diǎn)

該課程作為電子與通信工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)課程，其任務(wù)是使學(xué)生掌握天線的基本概念、基本理論和基本分析方法。內(nèi)容涵蓋了天線所涉及的各個(gè)方面的知識(shí)，信息量大，理論性強(qiáng)。該課程建立在電磁場(chǎng)與電磁波、高等數(shù)學(xué)、向量代數(shù)等基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)之上，又是許多后續(xù)課程如《移動(dòng)通信》、《智能天線》等的基礎(chǔ)，對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)有著重要的作用。

該課程講授各種類(lèi)型天線及從電磁流出發(fā)，通過(guò)運(yùn)用前期所學(xué)電磁場(chǎng)和高等數(shù)學(xué)等相關(guān)知識(shí)來(lái)分析它們的輻射特性，對(duì)學(xué)生的理論儲(chǔ)備要求較高。同時(shí)，該課程還注重與實(shí)踐相結(jié)合，在掌握各種天線特性及相關(guān)理論的同時(shí)，還要求學(xué)生能夠根據(jù)工程實(shí)際，選擇合適的天線種類(lèi)，并進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。

三、教改實(shí)踐

（一）多媒體輔助教學(xué)

學(xué)好天線這門(mén)課程需要掌握各類(lèi)天線在能量轉(zhuǎn)換和定向輻射（或接收）中所發(fā)揮的作用。其中能量轉(zhuǎn)換是將天線作為傳輸線的一部分，將引導(dǎo)的電磁波（高頻電流）依靠終端散射轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚩臻g輻射的電磁波傳向遠(yuǎn)方，或是將空間的電磁波轉(zhuǎn)換為傳輸線引導(dǎo)的電磁波（高頻電流）送給接收機(jī)。定向輻射則需掌握諸如方向圖，天線口徑，有效高度，定向性、增益，線極化、橢圓極化和圓極化等輻射特性相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

要讓學(xué)生正確理解并掌握這些物理過(guò)程和相關(guān)物理概念，單純依靠教材中的從電氣電子學(xué)會(huì)的生澀定義出發(fā)，對(duì)復(fù)雜物理過(guò)程進(jìn)行一系列公式推導(dǎo)，進(jìn)而得來(lái)相應(yīng)的概念；以及對(duì)各類(lèi)天線結(jié)構(gòu)、特性的二維圖示顯然是不夠的。筆者利用多媒體輔助教學(xué)手段，并利用諸如MATLAB等軟件編程設(shè)計(jì)相關(guān)物理特性以及天線結(jié)構(gòu)性能的動(dòng)畫(huà)過(guò)程。通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示的方式，從傳輸線饋電出發(fā)直至天線輻射單元，將磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程形象直觀的向?qū)W生展示出來(lái)，同學(xué)們可以從動(dòng)畫(huà)中看出，天線作為一個(gè)散射體，將傳輸線中的傳遞的能量，散射至自由空間，天線在整個(gè)傳輸過(guò)程中可以看出是傳輸線的一部分，只不過(guò)由于一些物理結(jié)構(gòu)上的原因（彎曲、突變等），產(chǎn)生了電荷的加速過(guò)程，進(jìn)而引發(fā)了輻射，從而加深了學(xué)生對(duì)輻射產(chǎn)生的機(jī)理的掌握；通過(guò)微帶線，同軸饋線等一系列饋電結(jié)構(gòu)的圖形展示，以及結(jié)構(gòu)中電磁場(chǎng)分布的動(dòng)態(tài)情況，讓學(xué)生更好的理解各種饋電結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，方便他們將來(lái)在工程設(shè)計(jì)中選取合適的結(jié)構(gòu)；通過(guò)環(huán)繞天線的三維方向圖展示，簡(jiǎn)化學(xué)生理解諸如共面極化與交叉極化等輻射特性基本概念的過(guò)程，并加深同學(xué)們對(duì)諸如前后比等工程常用知識(shí)點(diǎn)的理解；在陣列天線教學(xué)中，通過(guò)改變天線陣列的陣元間距、陣元個(gè)數(shù)、饋電幅度以及饋電相位等要素，進(jìn)而動(dòng)態(tài)展示出相關(guān)天線陣的輻射特性相應(yīng)改變，從而使得天線陣列授課不再是單一的由陣元輻射特性至陣列輻射特性的公式推導(dǎo)，而成為一種直觀的講授過(guò)程，也便于學(xué)生掌握陣列各要素所發(fā)揮的具體作用。

（二）案例教學(xué)

以往的天線課程教學(xué)，在介紹完天線課程所需基本理論知識(shí)之后，就會(huì)按基本振子輻射，線天線，面天線，陣列天線的順序進(jìn)行逐次教學(xué)。教學(xué)內(nèi)容主要集中于對(duì)不同類(lèi)型天線的特性（輻射特性，匹配特性等）的分析與講解。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，雖然掌握了相關(guān)理論知識(shí)，卻無(wú)法得知相關(guān)類(lèi)型天線在當(dāng)今社會(huì)能夠有何種應(yīng)用，從而導(dǎo)致學(xué)生缺乏繼續(xù)深入學(xué)習(xí)的熱情與動(dòng)力。

筆者在授課中引入實(shí)物舉例，如在介紹線性天線時(shí)，以鞭狀天線為例，向?qū)W生展示sony公司生產(chǎn)的具有電視接收功能的MP4一體機(jī)，通過(guò)鞭狀天線的旋轉(zhuǎn)、伸縮，同學(xué)們可以清晰發(fā)現(xiàn)所接收信號(hào)質(zhì)量的變化，從而加深了對(duì)天線的增益及方向圖等特性的理解。在講授單極子天線時(shí)，可以結(jié)合學(xué)生最常使用的通信工具—手機(jī)來(lái)進(jìn)行講授。從傳統(tǒng)具有外置天線的手機(jī)進(jìn)而推廣到現(xiàn)代內(nèi)置天線的手機(jī)。內(nèi)置天線的手機(jī)往往使用平面倒F型天線，這又是由傳統(tǒng)單極子天線變形演變來(lái)的。通過(guò)介紹演變的過(guò)程，學(xué)生很容易接受并掌握相關(guān)天線的性能。

對(duì)于天線陣列，在講授典型端射天線陣列——八木宇田天線時(shí)，引導(dǎo)同學(xué)們從生活周邊進(jìn)行尋找，進(jìn)而引出最為常見(jiàn)的電視接收天線，有效活躍課堂氣氛。通過(guò)介紹巡洋艦的天線系統(tǒng)，可以讓學(xué)生在聽(tīng)講十分感興趣的軍事知識(shí)的同時(shí)，自然而然的理解各種天線的用途以及相應(yīng)設(shè)計(jì)原理。例如：雙極子天線構(gòu)成了其VHF通信天線；目標(biāo)指示雷達(dá)天線用的是“藥箱”天線或“奶酪”天線，屬于拋物柱面反射器，其饋電是由雙極子天線或者是喇叭天線來(lái)實(shí)現(xiàn)的；航海導(dǎo)航雷達(dá)天線也是由“藥箱”型天線來(lái)構(gòu)造，但由于功能不同，只需知道航向和距離的信息，所以天線只需在水平面旋轉(zhuǎn)，而在仰角方面可以使用波束很寬的輻射特性，這又可以衍生出天線口徑與波束寬度的關(guān)系這一非常有用的天線設(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生在課堂上獲得的天線相關(guān)知識(shí)進(jìn)一步得到擴(kuò)展；為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)高度定位與搜尋功能，戰(zhàn)艦則利用的是具有拋物線反射面的天線，與前面介紹的各種類(lèi)型天線進(jìn)行比較，同學(xué)們可以明顯看出，為了實(shí)現(xiàn)不同的需求，天線需要具有不同的功能，進(jìn)而帶來(lái)了天線種類(lèi)選取以及設(shè)計(jì)中的不同選擇。通過(guò)這種方式，學(xué)生上課時(shí)的學(xué)習(xí)熱情明顯提高，因?yàn)檎莆樟烁鞣N天線在現(xiàn)代社會(huì)的具體應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)也更明確。

同時(shí)，天線是一門(mén)擁有悠久歷史的學(xué)科，在進(jìn)行案例教學(xué)的過(guò)程中，筆者做到“與史結(jié)合”，通過(guò)對(duì)各時(shí)期杰出人物（海恩里克赫茲，奧利弗洛奇，Jagadis Chandra Bose，馬可尼等）的回顧，以及他們?nèi)〉玫南鄳?yīng)成果展示和所取得成果在對(duì)應(yīng)時(shí)代所能完成的具體使命介紹，從而使得各類(lèi)天線的產(chǎn)生以及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得有源可尋，同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)中可以做到“以史為鑒”，可以針對(duì)當(dāng)代通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進(jìn)行進(jìn)一步的思考，探求天線發(fā)展與設(shè)計(jì)的新思路、新方法。

（三）仿真設(shè)計(jì)

天線課程與實(shí)際工程應(yīng)用聯(lián)系非常緊密，是一門(mén)具有很強(qiáng)實(shí)踐性的課程。要想讓學(xué)生學(xué)好這門(mén)課，就一定要做到理論與實(shí)踐的無(wú)縫銜接。然而天線實(shí)驗(yàn)由于受到試驗(yàn)場(chǎng)地要求高，測(cè)試設(shè)備昂貴，天線單元制作要求高、周期長(zhǎng)等因素的限制，很難在教學(xué)環(huán)節(jié)順利展開(kāi)。

針對(duì)以上問(wèn)題，筆者提出以讓學(xué)生使用商業(yè)電磁仿真軟件，如Ansoft HFSS，IE3D，F(xiàn)EKO等來(lái)仿真設(shè)計(jì)天線實(shí)例。以HFSS（High Frequency Structure Simulator）為例，經(jīng)過(guò)二十余年的發(fā)展，HFSS已成為業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)分析與設(shè)計(jì)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它擁有簡(jiǎn)潔直觀的用戶(hù)設(shè)計(jì)界面，基于有限元法的精確自適應(yīng)的場(chǎng)求解器，以及卓越的前電性能分析能力的后處理器。從而能夠設(shè)計(jì)計(jì)算任意形狀的三維天線結(jié)構(gòu)，求解其S參數(shù)和全波電磁場(chǎng)。所得結(jié)果可以較為準(zhǔn)確的反應(yīng)天線的實(shí)際工作情況，做到仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)基本吻合。利用這些軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真計(jì)算具有開(kāi)發(fā)效率高，結(jié)果簡(jiǎn)單明了等優(yōu)點(diǎn)。學(xué)生通過(guò)這些工程軟件建立所需研究的天線模型，并根據(jù)實(shí)際工程需求，設(shè)定相應(yīng)的掃描頻率、信號(hào)源、邊界條件等，通過(guò)這一系列計(jì)算前期條件的設(shè)定，可以有效地加強(qiáng)對(duì)天線工作機(jī)理的理解。模型設(shè)定完成后，可以通過(guò)電磁仿真軟件進(jìn)行仿真運(yùn)算，并得到諸如阻抗、帶寬、增益、效率、S參數(shù)、天線駐波比、Smith圓圖、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖剖面、遠(yuǎn)場(chǎng)三維方向圖特性等結(jié)果；并可以繪制極化特性，包括球形場(chǎng)分量、圓極化場(chǎng)分量和軸比等。學(xué)生在整理相應(yīng)結(jié)果的過(guò)程中，可以進(jìn)一步理解各個(gè)參數(shù)的意義以及他們之間的關(guān)聯(lián)性。這些結(jié)果最終又可以和前期的天線理論學(xué)習(xí)起來(lái)，便于學(xué)生回顧，在動(dòng)手與思考中加深理解，既鍛煉了學(xué)生的實(shí)際操作能力，又提高了學(xué)生的理解能力，充分發(fā)揮了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性有助于教師提高教學(xué)質(zhì)量。

四、結(jié)束語(yǔ)

在天線課程的教學(xué)過(guò)程中，筆者通過(guò)多媒體輔助、案例教學(xué)以及仿真設(shè)計(jì)等方法，成功的使學(xué)生產(chǎn)生了學(xué)習(xí)天線的興趣，充分調(diào)動(dòng)了他們的主觀能動(dòng)性，進(jìn)而強(qiáng)化了課堂教學(xué)的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]約翰克勞斯.天線[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]劉學(xué)觀，郭輝萍.微波技術(shù)與天線[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

[3]侯維娜，邵建興.Ansoft HfSS仿真軟件在天線教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用[J].數(shù)字通信，2009，（8）.

[4]雷文太.《天線與電波傳播》課程的教改實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2012，（5）.

[5]鐘東洲.微波技術(shù)與天線課程教學(xué)教改研究[J].中國(guó)集體經(jīng)濟(jì)，2010，（1）.