電磁波與天線課程中電磁波極化的教學探討

薛紅　李平輝　趙妍卉　劉涵

摘 要 本文針對“電磁波與天線”課程中的電磁波極化進行了教學探討，以問題驅動式教學法進行了研究。教學過程中貫徹“以學生為中心”的指導思想，針對具體難點，將理論研究和實踐仿真緊密結合。學生在突破難點的同時能夠增強學習興趣，提高積極性，取得良好的教學效果。

關鍵詞 電磁波 極化 MATLAB

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.07.054

The Teaching Discussion of Electromagnetic Wave Polarization in

Electromagnetic Wave and Antenna Course

XUE Hong， LI Pinghui， ZHAO Yanhui， LIU Han

（College of Communication Engineering， PLA University of Science and Technology， Nanjing， Jiangsu 210007）

Abstract In this paper， the teaching discussion of electromagnetic wave polarization in the course of "electromagnetic wave and antenna" is carried out， the problem driven method is studied. In the course of teaching， the guiding thoughts of "students centered" are carried out， aiming at specific difficulties ，the theoretical research and practical simulation are closely combined. Students can enhance their interest， improve their enthusiasm and achieve good teaching results.

Keywords Electromagnetic compatibility； Spectrum Management； MATLAB

0 前言

“電磁波與天線”作為通信、電子、系統和電氣工程等專業的一門專業基礎課程，在各相關專業基礎課與專業課之間起到橋梁銜接作用。本課程包含電磁場理論、天線技術和電波傳播概論三方面內容，學生需要對電磁場和電磁波有較完整深入的理解，學會用場的觀點分析和解決電磁場問題，掌握天線技術的基礎理論，了解電波傳播的基礎知識，為以后適應工作崗位需求準備必要的基礎。本課程具有理論性強、概念抽象以及數學推導繁瑣等特點，難以調動學生的興趣。如何設計教學內容和教學模式，從具體的事物和現象入手，讓理論和實踐緊密聯系，讓學生帶著問題學習，就成為教學中亟需解決的問題。

1 教學目標

極化是天線的重要電參數，在電磁場理論中也是一個非常重要的概念。對于電磁波極化的學習，教學目標包括知識目標、能力目標和素質目標等3個方面。通過本部分內容的學習，要求學生在知識目標中達到：（1）理解電磁波極化的物理意義；（2）熟悉平面電磁波極化的分類；（3）掌握極化方式的判斷方法；（4）了解極化的工程應用。從能力目標出發，主要培養學生：（1）運用場的方法解決實際電磁問題的初步能力；（2）把握實質、提煉思路的能力；（3）舉一反三、觸類旁通的能力。從素質目標來看，注重培養學生的創新思維和融會貫通的能力。這些目標的實現，需要我們在教學實施過程中重點關注教學內容和教學方法。[1]

2 教學方法

問題驅動式教學法即基于問題的教學方法（Problem-BasedLearning，PBL）。它是一種以學生為主體、以專業領域內的各種問題為學習起點，以問題為核心規劃學習內容，讓學生圍繞問題尋求解決方案的一種學習方法。其中包括設計問題、分析問題、解決問題和結果評價等四個環節。

設計問題必須緊緊圍繞教學目標，由淺入深，難易得當，能夠激發學生的學習主動性和求知欲。這就對教師的要求較高，教師要在課前準備好問題。這一步驟不僅僅需要教師熟悉教學內容，還要較好地了解學生的情況。這是成功實施問題驅動教學法的基礎。

分析和解決問題是以學生活動為主，在實施過程中，一方面圍繞提出的問題，通過深入分析與挖掘，使得教學內容能夠得以全面展開，學生能夠理解概念并加深認識；另一方面，實施過程中要體現教學方法，提高學生在教學過程中的參與程度，教師在此階段主要是引導發揮作用，當討論發生跑題或者學生誤解問題的本意時，給予及時的提醒和引導。

結果評價包括自我評價、小組互評及教師評價等，通過具體思考題的分析，評價問題解決方法的合理性，對這個知識點的理解和掌握情況以及小組整體表現。教師是結果的評估者，必須具備較強的課堂掌控能力和引導能力。

3 教學設計與實施

教學過程中貫徹“以學生為中心”的指導思想，學生需要改變學習方法，要善于引導自己獨立思考和知識創新，變單純從教師那獲取知識的被動學習方法，為充分開發自己的學習潛能。以電磁波極化為例，我們精心設計課堂教學內容。[2]

（1）將天線實例引入課堂，作為一種用來發射和接收電磁波的器件，天線的電參數中包括極化特性，可以將波的極化的討論直接應用于天線，通過實際測量激發學生的興趣。

（2）從均勻平面波是橫電磁波TEM出發，電場和磁場相互垂直，同時電磁場均與傳播方向垂直，、和之間滿足右手螺旋關系。判斷極化方式以及極化旋向。強調學生獨立思考和創造性學習的能力。endprint

（3）通過MATLAB軟件編程仿真，得到波的各種極化方式，并針對各種極化方式進行分析，進而使得學生理解并掌握極化的概念。

3.1 極化的類型

極化是天線的重要電參數，在電磁場理論中也是一個非常重要的概念。電磁波極化是指電磁波電場強度的取向和幅值隨時間而變化的性質，在光學中稱為偏振。如果這種變化具有確定的規律，就稱電磁波為極化波。如果極化電磁波的電場強度始終在垂直傳播方向的橫平面內取向，其電場矢量的端點沿一閉合軌跡移動，則這一極化電磁波稱為平面極化波。電場的矢端軌跡稱為極化曲線，并按照極化曲線的形狀對極化波命名。

通常發射和接收電磁波的天線都具有確定的極化性質，可根據其用作發射天線時在最強輻射方向上的電磁波極化而命名。為了在收發天線之間實現最大的功率傳輸，應采用極化性質相同的發射天線和接收天線，這種配置條件稱為極化匹配，有時為了避免對某種電磁波的感應，采用極化性質與之正交的天線，這種配置條件稱為極化隔離。與縱波不同的是，電磁波是三維的橫波，正是由于其矢量特性，從而產生極化這一現象。沿+方向傳播的均勻平面波，對于單一頻率的平面極化波，在一般情況下，電場強度有兩個分量：

利用余弦展開式將余弦函數展開，得到：

（1）

（2）

作如下運算：

整理后得到合成矢量的軌跡方程：

將看成、看成，得到曲線方程：（橢圓方程）

滿足，根據曲線軌跡的不同，均勻平面波的極化狀態分以下三種情況。

3.1.1直線極化

（1）當時，軌跡方程蛻化為：

得到的軌跡是一條直線，也就是說，平面電磁波在空間傳播時，在不同時刻、不同位置上，電場強度的兩個分量取值不同，但合成矢量的端點總是在一條直線上變化。

（2）當時，軌跡方程蛻化為：

（3）當時，只有分量，稱為方向的線極化波。

（4）當時，只有分量，稱為方向的線極化波。

3.1.2 圓極化

當，而且，軌跡方程蛻化為圓的方程：

3.1.3橢圓極化

橢圓極化是最一般的極化形式，線極化和圓極化是橢圓極化的特例。

采用MATLAB軟件[3]繪制三種不同的極化方式，如圖1所示。

3.2 極化旋向的判定

對于圓極化和橢圓極化，必須判斷其極化旋向，下面以沿方向傳播的橢圓極化波為例進行介紹，該方法可以適用于沿任意方向傳播的均勻平面電磁波。如前所述=2-1滿足- ≤≤ ，其中1為電場分量的初相位，2為電場分量的初相位。

（1）當<0時，分量比分量相位超前，對于一個固定點，分量將先達到最大值，然后分量才達到最大值，說明合成矢量端點的軌跡隨時間變化逆時針轉動，也即極化的旋轉方向與波的傳播方向（+z方向）符合右手螺旋法則，這種平面波稱為右旋橢圓極化波。

（2）當<0時，分量比分量相位滯后，同樣方法分析，這種平面波稱為左旋橢圓極化波。采用MATLAB軟件繪制的仿真圖如圖2所示。

3.3 圓極化仿真分析

學生在理論推導的過程中，針對圓極化方式，采用MATLAB軟件編程并繪制其動態軌跡圖，仿真圖如圖3所示。教師引導學生調用不同的繪圖函數，標出圖題、XY軸標注，調整自變量可繪出不變顏色的點、線、復線或多重線。在繁瑣的理論推導中，激發學生的學習熱情和興趣。[4]

部分程序代碼如下：

subplot（2，2，1）；

wt=0：.001：10；

kz=0；

plot（exm*cos（wt-kz+faix），eym*cos（wt-kz+faiy））；

axis（[-1.1 1.1 -1.1 1.1]）；

xlabel（'Ex'）；

ylabel（'Ey'）；

axis equal；

grid on；

title（'固定位置軌跡'）；

subplot（2，2，2）；

plot（exm*cos（wt-kz+faix），kz）；

axis（[-1.1 1.1 0 10]）；

xlabel（'Ex'）；

ylabel（'z'）；

grid on；

title（'固定位置Ex'）；

4 結語

本課程涉及的物理概念和數學分析比較多，而且存在教學內容多學時少的矛盾。教師教學過程中需要突出重點，以點帶面，采用一定的教學方法，培養學生揭示電磁波的本質、抓住學習要點的能力與素質，進而引導他們的求知欲和創新欲。學生學習過程中需要有效地利用學習工具和資源，把握實質，提煉思路，進而夯實基本知識、掌握基本技能、培養基本能力和提高基本素質。這里以電磁波極化為例進行分析，有特殊到一般，由復雜到簡單，并結合MATLAB工作平臺，直觀形象，還提高了分析效率。將電磁波極化的教學探討引入到本課程的教學改革中，作為其中的一部分，著實提高了學生學習的積極性，開拓了學生的思維，反過來對教學過程也起到了積極作用。

參考文獻

[1] 渠立永，劉君等.軍事院校“電磁場理論”課程教學改革與實踐[J].教育教學論壇，2014（49）：142-143.

[2] 周建華，劉偉春等.《電磁場與電磁波》教學思考[J].科技與創新，2015（15）：132-133.

[3] 張華美，徐立勤.電磁仿真軟件在《電磁場與波》教學中的應用[J].軟件導刊，2016.15（11）：212-215.

[4] 陳苗根，于明州等.基于演示實驗的電磁學課堂教學改革[J].教育教學論壇，2017（2）：269-270.endprint