無(wú)線通信電波傳播及天線課程設(shè)計(jì)探究

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【摘要】無(wú)線通信電波傳播與天線課程是通信與信息領(lǐng)域中一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課程，包括天線原理和電波傳播兩部分內(nèi)容。由于課程涉及到大量的理論知識(shí)，合理規(guī)劃課程內(nèi)容，并提出行之有效的教學(xué)方法，能夠讓學(xué)生更好地理解和掌握天線和電波傳播的知識(shí)，對(duì)提高課堂效率具有十分積極的推動(dòng)作用。

【關(guān)鍵詞】天線;電波傳播;課程設(shè)計(jì);教學(xué)方法

隨著5G通信的迅速發(fā)展，對(duì)5G通信傳播過(guò)程和性能的認(rèn)知變得越來(lái)越重要。整個(gè)5G通信主要包括兩部分，一是通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁信號(hào)經(jīng)發(fā)射天線輻射出去，然后再通過(guò)天線進(jìn)行信號(hào)接收，實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)之間的通信；二是電磁信號(hào)在空間傳播時(shí)，會(huì)遇到建筑物、森林、山峰等障礙物，對(duì)信號(hào)的通信質(zhì)量會(huì)有所影響，因此需要評(píng)估電波傳播對(duì)通信質(zhì)量的影響?；谝陨峡紤]，開設(shè)無(wú)線通信電波傳播與天線課程，讓學(xué)生掌握基本的天線輻射原理以及電波傳播特性，具有十分重要的意義[1-2]。

一、課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

首先，課程內(nèi)容與課程的學(xué)時(shí)量息息相關(guān)。這里，課程內(nèi)容是基于48學(xué)時(shí)進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)的。考慮到天線與電波傳播理論多，如果課堂上只是一味地講解天線輻射與電波傳播的公式推導(dǎo)，學(xué)生很難理解。因此，在設(shè)計(jì)課程內(nèi)容時(shí)，應(yīng)將理論與實(shí)際結(jié)合起來(lái)，即將課堂理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合，可以開設(shè)40學(xué)時(shí)的理論課，同時(shí)開設(shè)8學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課。在學(xué)生學(xué)習(xí)理論課的同時(shí)，開設(shè)實(shí)驗(yàn)課，能夠讓學(xué)生對(duì)天線實(shí)物有一定的認(rèn)知，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)天線以及電波傳播的過(guò)程和性能有深刻的理解，也可與理論課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行相互驗(yàn)證。這樣，既培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，同時(shí)又加深了學(xué)生對(duì)天線和電波傳播理論知識(shí)的理解，可以提高課堂效率。對(duì)于40學(xué)時(shí)的理論課，同樣需要合理規(guī)劃和設(shè)計(jì)。首先，與天線與電波傳播相關(guān)的教材對(duì)電磁場(chǎng)理論講解得都不多，有些甚至沒有涉及這部分內(nèi)容。因此，在講解天線和電波傳播的理論知識(shí)之前，需要花4個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間講解電磁場(chǎng)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，具體的思路是：從積分形式的Maxwell方程組出發(fā)，通過(guò)講解旋度和散度的物理概念，得到微分形式的Maxwell方程組，然后講解位函數(shù)的概念以及用于Maxwell方程組的求解方法，最后介紹復(fù)能流密度矢量，讓學(xué)生了解電磁波在空間傳播時(shí)的能量特性。天線與電波傳播兩部分的課時(shí)分別為18學(xué)時(shí)，天線部分主要介紹天線性能參數(shù)的物理概念以及工程常用天線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，包括電基本振子的輻射特性、天線的電參數(shù)（方向圖、增益、方向系數(shù)、方向圖乘積定理等）、對(duì)稱振子天線、天線陣、引向天線、對(duì)數(shù)周期天線、螺旋天線、喇叭天線以及微帶天線等工程常用天線。電波傳播部分主要介紹電磁波經(jīng)天線輻射出去之后在不同電磁環(huán)境中的傳播特性，涵蓋了4種基本的電波傳播模式—自由空間的電波、地面波、天波和視距傳播。

二、教學(xué)方法的探討

合理規(guī)劃課程內(nèi)容之后，需要思考的問(wèn)題是采用何種教學(xué)方法能夠提高課堂教學(xué)效率。在講解課程內(nèi)容時(shí)，一方面可以將科學(xué)研究技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中來(lái)，是因?yàn)樵诳茖W(xué)研究領(lǐng)域，一些數(shù)值算法，例如時(shí)域有限差分法（FDTD）、矩量法（MOM）等全波算法能夠模擬電流信號(hào)經(jīng)天線的輻射過(guò)程，而拋物方程方法（PE）和彈跳射線法等高頻算法能夠模擬電波在大區(qū)域環(huán)境中的傳播過(guò)程。因此，在講解天線和電波傳播的理論知識(shí)時(shí)，可以引入一些實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景，然后采用這些算法進(jìn)行模擬，以動(dòng)畫的形式在課堂上演示天線的輻射過(guò)程以及電波的傳播過(guò)程，可以讓學(xué)生更容易理解天線輻射和電波傳播的本質(zhì)。另一方面，需要加強(qiáng)課堂管理?？梢詫⒍嗝襟w和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)（例如對(duì)分易、UMU平臺(tái)等）應(yīng)用到課堂教學(xué)中來(lái)，其目的是：（1）方便考勤；（2）很好地督促學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)；（3）很方便地與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)、提問(wèn)、批改作業(yè)以及課堂測(cè)試，等等。老師只需在課前將課堂所需要的文檔上傳到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，然后在課堂上，在需要時(shí)讓學(xué)生登錄平臺(tái)進(jìn)行答題、測(cè)試等，平臺(tái)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行評(píng)分并得到統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，讓老師能夠及時(shí)得到學(xué)生對(duì)課程知識(shí)掌握程度的反饋，有效地提高課堂效率。

三、結(jié)論

無(wú)線通信電波傳播與天線課程涉及到大量的物理和數(shù)學(xué)知識(shí)，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，學(xué)生很難從本質(zhì)上理解和掌握天線輻射與電波傳播的知識(shí)。因此，本文對(duì)48學(xué)時(shí)的無(wú)線通信電波傳播與天線課程進(jìn)行了課程內(nèi)容規(guī)劃和設(shè)計(jì)，使其知識(shí)體系邏輯性更強(qiáng)。另外，提出了將科學(xué)研究技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用到課程教學(xué)中，以此來(lái)提高課堂教學(xué)效率。

參考文獻(xiàn)

[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.

[2]孫豪.《天線與電波傳播》課程教學(xué)實(shí)踐與思考[J].科技信息，2011，25:145-146.

作者:葉志紅 李強(qiáng) 邵羽 廖希 單位:重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院