葉志紅 李強 邵羽 廖希

摘要：天線與電波傳播課程涉及到大量的電磁場理論，采用傳統(tǒng)的滿堂灌的授課方式，學(xué)生只會死記硬背而無法理解天線與電波傳播的實際物理意義。本文將科學(xué)研究技術(shù)引用到課程教學(xué)中來，將晦澀的電磁場公式轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢暬膭赢嬤M行演示，更容易讓學(xué)生接收，從而提高課堂效率，讓學(xué)生從本質(zhì)上理解和掌握天線和電波傳播的物理知識。

關(guān)鍵詞：天線與電波傳播；電磁場理論；科學(xué)研究；動畫演示

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）11-0159-02

隨著4G和5G通信的發(fā)展，使得人們對于通信質(zhì)量的要求越來越高。天線是實現(xiàn)通信的重要部件，其將發(fā)射機產(chǎn)生的電磁信號輻射出去，而在接收端需要接收信號送到接收機進行信號處理。因此，天線性能的優(yōu)劣會直接影響到通信的質(zhì)量。另外，信號從天線輻射出去之后，會經(jīng)過大區(qū)域的電波傳播過程，而不同的環(huán)境對電波傳播的影響是不一樣的，因此，電波傳播過程也將直接影響到通信的質(zhì)量。由此，對于通信與信息工程專業(yè)的學(xué)生，開設(shè)天線與電波傳播課程顯得十分必要[1-3]。而學(xué)習(xí)天線與電波傳播課程，需要用到大量的電磁場理論以及數(shù)學(xué)計算公式，理解起來比較困難。同時，天線類型多樣，例如半波振子、天線陣、引向天線、對數(shù)周期天線、喇叭天線、微帶天線等，而每種天線的輻射機理和特性都不一樣。電波傳播根據(jù)環(huán)境的不同，又可分為自由空間電波傳播、地面波傳播、天波傳播和視距傳播等，而每種傳播路徑對電波影響的物理過程也都是不一樣的。因此，如何講解天線輻射與電波傳播的物理過程和內(nèi)涵，讓學(xué)生更容易理解和吸收，具有十分重要的探討意義。

傳統(tǒng)的教學(xué)方法多以滿堂灌為主，而對于電磁場理論，老師講解的推導(dǎo)過程再詳細，學(xué)生也很難完全吸收和掌握，導(dǎo)致課堂教學(xué)效率低下。因此，本文將科學(xué)研究技術(shù)應(yīng)用到課堂教學(xué)中來，通過對天線輻射和電波傳播過程采用科學(xué)研究技術(shù)進行模擬并實現(xiàn)可視化，讓學(xué)生從天線設(shè)計、天線輻射到電波傳播過程有很直觀的認識，從而更好地理解天線和電波傳播的物理內(nèi)涵，提高課堂教學(xué)效率。

一、傳統(tǒng)的教學(xué)模式

對于天線與電波傳播這樣的理論課，傳統(tǒng)教學(xué)多是采用滿堂灌的方式。然而課程涉及到大量的理論公式，如果只是一味地講解推導(dǎo)過程，學(xué)生很難理解。這里以電流元輻射的理論推導(dǎo)為例來加以說明。

電流元輻射的理論推導(dǎo)過程如圖1所示，此過程涉及到Maxwell方程組、標量位、矢量位和位函數(shù)方程等電磁場公式和理論。在求解位函數(shù)方程時需要用到高等數(shù)學(xué)求解偏微分方程組的知識，而在由矢量磁位A計算電場E和磁場H時，需要進行旋度、散度和梯度運算，然后根據(jù)波長與距離滿足的關(guān)系，分析天線近場區(qū)和遠場區(qū)的電磁特性。

二、科學(xué)研究引入課堂教學(xué)

通過上述分析，可以明顯看出，只是講解理論推導(dǎo)，學(xué)生難以理解。在科學(xué)研究領(lǐng)域，可以采用相應(yīng)的數(shù)值算法對天線輻射和電波傳播的物理過程進行模擬，例如時域有限差分（FDTD）方法、拋物方程（PE）方法，等等。FDTD方法是一種全波算法，能夠從時域的角度模擬電磁波的輻射、耦合以及散射等物理現(xiàn)象。因此，采用FDTD方法對各類天線進行建模，并模擬得到電磁波經(jīng)天線輻射之后在空間傳播時的電磁場分布，以及天線的方向圖、增益等電參數(shù)。設(shè)置一觀察面，將該觀察面在多個時刻點上的空間電場分布保存為png圖片格式文件，然后結(jié)合相應(yīng)的圖片編輯軟件，將多個圖片做成動畫，即可在課堂上演示天線的輻射過程。下面以對稱振子為例，給出采用FDTD方法對天線的建模和仿真過程。

由圖2可以看出，采用FDTD方法能夠很好地建立天線的物理模型，并仿真得到天線近場區(qū)的電場分布情況以及朝遠場區(qū)方向輻射的傳播過程，可以清晰地看到天線向遠場區(qū)傳播時的球面波特性。然后，F(xiàn)DTD方法可以根據(jù)天線遠場區(qū)的電磁場分布求解得到天線的方向圖、增益等電參數(shù)。因此，若在講解天線輻射的理論推導(dǎo)時，引入上述天線輻射的動畫演示，勢必會讓學(xué)生能夠更好地理解理論推導(dǎo)過程，提高課堂效率。

對于其他類型的天線，同樣可以采用上述方法進行建模和仿真，只是對于不同類型的天線，建模過程和仿真結(jié)果會有所不同。

對于電波傳播問題，同樣可以采用相應(yīng)的數(shù)值方法進行建模和仿真。與天線輻射不同的是，電波傳播涉及到的空間區(qū)域比較大，無法采用FDTD方法進行建模和模擬，是因為FDTD方法需要對模型進行網(wǎng)格剖分，而對于大區(qū)域而言，建模所需的網(wǎng)格量將會非常巨大，單臺計算機無法承受。因此，需采用拋物方程方法或者大規(guī)模并行FDTD算法對大區(qū)域的電波傳播問題進行建模。拋物方程方法和大規(guī)模并行FDTD算法是本人已有的研究成果，因此，可以很方便地用來對電波傳播問題進行建模和仿真。需要注意的是，對于不同的電波傳播模式，由于傳播路徑不同，建模方法亦不同，具體的建模過程不在本文中進行詳細敘述。下面以電波在建筑物室內(nèi)的傳播過程為例，來說明科學(xué)研究對教學(xué)方法改進起到的重要作用。

圖3給出了建筑物的物理模型以及仿真得到的建筑物內(nèi)外空間的電磁場分布，由圖可以清晰地看到電波經(jīng)建筑物的窗戶進入到室內(nèi)，并以近似球面波的形式向前傳播，然后遇到建筑物室內(nèi)的墻體發(fā)生反射、繞射等物理現(xiàn)象。通過動畫的形式演示電波傳播的過程，形象生動，能夠讓學(xué)生更容易理解和接收。

三、結(jié)論

天線與電波傳播課程采用傳統(tǒng)的滿堂灌的教學(xué)方法，無法讓學(xué)生從本質(zhì)上理解和掌握天線與電波傳播理論。本文提出將科學(xué)研究技術(shù)應(yīng)用到課程教學(xué)，采用FDTD方法、拋物方程方法以及大規(guī)模并行算法模擬天線輻射與電波傳播的物理過程，將難以理解的電磁場理論通過動畫的形式進行演示，使得學(xué)生更容易理解和掌握天線傳播和電波傳播的物理內(nèi)涵，從而提高課堂教學(xué)效率。

參考文獻：

[1]王平.《電波傳播與天線》課程教學(xué)改革探索[J].素質(zhì)教育論壇，2015，（14）：2-3.

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[3]周彩霞，吳振森，弓樹宏.關(guān)于電波傳播與天線專業(yè)的實踐教學(xué)[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報，2011，（12）：103-104.