基于LED光立方的電磁波極化演示

張娜 劉娜 楊琳 楊化俊

摘 要：針對“電磁場與電磁波”課程教學難度大的現狀，制訂了一套計算機輔助教學實施方案。尤其電磁波的傳輸與極化看不見摸不著，學生難以理解該部分內容，因此，根據均勻平面電磁波的極化方式，在MATLAB中編程以三維立體動畫的形式演示電磁波的線極化、圓極化與橢圓極化;并以STM32作為主控芯片，采用4 096個LED燈組成一個16*16*16的三維立方體LED光立方教具，使抽象的概念變得可視而具體，使教學過程變得生動形象并富有趣味，從而利于學生綜合素質的培養。

關鍵詞：電磁場與電磁波;極化;LED;光立方

中圖分類號：G643

文獻標志碼：A

文章編號：1007-757X（2020）11-0074-03

Abstract：In view of the current situation that the teaching of “electromagnetic field and electromagnetic wave” is difficult， a set of computer-aided teaching implementationschemes are developed.In particular， the transmission and polarization of electromagnetic wave are invisible， students are difficult to understand this part. Hence， according to the polarization mode of uniform plane electromagnetic wave， the paper programs by using MATLAB to demonstrate the linear polarization， circular polarization and elliptical polarization of electromagnetic wave in the form of three-dimensional animation. STM32 is used as the main control chip， 4 096 LED lights are used to form a 16×16×16 three-dimensional cube LED light cabe to aid the classroom teaching， which makes the abstract concept visible and concrete， makes the teaching process vivid and interesting. The reform is conducive to the cultivation of students comprehensive quality.

Key words：electromagnetic field and electromagnetic wave;polarization;LED;light cube

0?引言

在高校電子信息工程、通信工程、電磁場與微波技術等工科專業中，電磁場與電磁波課程是一門重要的專業基礎課程之一[1]。由于該課程不僅理論性強，涵蓋內容多，知識跨度大，具有大量繁雜的數學公式推導，而且電磁場與電磁波又看不見、摸不著，直觀性很差，因此使得該課程成為相對較難的課程之一。學生在學習該課程時往往會感到枯燥乏味，失去學習興趣，進而影響對所學知識的掌握。為了提高學生的學習興趣，促使大家很好地掌握本課程的知識，并能將所學知識應用到實際工程中，提高應用知識解決實際問題的能力。將工程實踐引入實際課程中，在理論課堂上通過實踐項目，將抽象的知識點具體化，便于學生理解，掌握課程課堂教學內容，在實踐課堂中，學生進行實踐，“學”為“做”提供指導，“做”為“學”提供驗證，實現“學”與“做”的交叉互動。

電磁波的極化是“電磁場與電磁波”課程中的一個重要內容，極化在無線電的發射[2]、雷達目標識別[3]與衛星通信[4]等方面有著及其重要的作用。采用MATLAB軟件對電磁波的極化特性進行仿真，通過形象直觀的三維立體動畫的形式展示電磁波的線極化、圓極化與橢圓極化。并以STM32作為主控芯片，采用4096個LED燈組成一個16*16*16的三維立方體LED光立方教具，并在課堂教學中演示電磁波的極化，可以比較直觀的觀察電磁波極化的各個時刻的狀態。

1?電磁波極化的原理

1.1?極化的定義

波的極化：指空間某固定位置處電場強度矢量隨時間變化的特性。用電場強度矢量終端端點在空間形成的軌跡表示[5-7]。

1.2?極化的分類

沿+z方向傳播的均勻平面波，其電場可表示如式（1）。

如果電波傳播時，電場矢量的終端隨時間變化在空間描出軌跡為一直線，則稱為線極化波;如果傳播時電場矢量的尖端在空間描出的軌跡為一個圓，則稱為圓極化波;如果傳播時電場矢量尖端在空間描出的軌跡為一橢圓，則為橢圓極化波[8]。

1.2.1?橢圓極化

式（1）中，設z=0，得式（2）、式（3）。

橢圓極化波形圖，如圖1、圖2所示：

1.2.2?線極化

電場僅在一個方向振動，即電場強度矢量端點的軌跡是一條直線。

由式（7）和式（8）可以看出：Ex和Ey同相位或反相位時，合成場表征直線極化。線極化的三維動態，如圖3所示。

1.2.3?圓極化

由此可以看出：式（9）為圓方程式。Ex和Ey相位相差π/2且振幅相等時，合成場表征圓極化。

合成波電場矢量終端軌跡為圓，且電場矢量旋轉方向與電磁波傳播方向成右手螺旋關系—右旋圓極化波[9-10]，如圖4所示。

合成波電場矢量終端軌跡為圓，且電場矢量旋轉方向與電磁波傳播方向成左手螺旋關系—左旋圓極化波[9-10]，如圖5所示。

2?電磁波極化在MATLAB中的實現

2.1?編寫程序

根據圓極化的特性，在MATLAB中編寫程序實現，其主要程序如下。

omiga=2*pi/36;

phi_x=0;

phi_y=pi/2;

Exm=1;

Eym=1;

2.2?運行結果

線極化演示圖，如圖6所示。

由圖6可以看出：在xoy平面觀察，其電場矢量終端隨時間變化在空間的軌跡為一直線;圓極化演示圖，如圖7所示。

橢圓極化演示圖，如圖8所示。

由圖7可以看出：在xoy平面觀察，其電場矢量終端隨時間變化在空間的軌跡為圓;由圖8可以看出：在xoy平面觀察，其電場矢量終端隨時間變化在空間的軌跡為橢圓。

3?基于STM32的LED光立方教具

本系統以STM32為控制核心，該芯片功耗低、穩定性好和性能高等優點[11-12]，光立方顯示模塊由4 096個LED組成了一個16*16*16的燈陣，如圖9所示。

軟件部分采用樂濤開發工作室的3D16光立方動畫仿真軟件，該軟件極大的簡化了程序設計，縮短了程序編寫的時間。該光立方演示教具展示了電磁波的各種特性，這不僅能強烈吸引學生的注意力，從感官上給學生真實的感受和強有力的視覺沖擊，而且豐富了他們的想象和思考，從而激發學生學習該門課程理論的興趣。

4?總結

根據均勻平面電磁波的極化方式，在MATLAB中編程以三維立體動畫的形式展示電磁波的線極化、圓極化與橢圓極化，并以STM32為控制核心，由4 096個LED組成一個16*16*16的光立方顯示教具。將其結論應用于課堂教學中，使抽象的概念變得可視而具體，使教學過程變得生動形象并富有趣味，從而利于學生綜合素質的培養。

參考文獻

[1]?楊琳，劉皎，張娜，等. “四個一流”建設背景下地方高校教學改革與實踐——以《電磁場與電磁波》課程為例[J]. 教學研究，2018，41（4）：74-79.

[2]?張建華，黃治. 電磁波極化的應用[J]. 大學物理，2012，31（3）：52-54.

[3]?莊釗文，肖順平，王雪松. 雷達極化信息處理及其應用[M]. 北京：國防工業出版社，1999.

[4]?付世強. 圓極化微帶天線及其在海事衛星通信中的應用[D]. 大連：大連海事大學，2010.

[5]?楊永俠. 電磁場與電磁波[M]. 西安：西北工業大學出版社，2018.

[6]?劉世為. VLF電磁波在地-電離層波導中的傳輸特性研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2016.

[7]?彭永華. ICA算法在射頻系統中的應用研究[D]. 長沙：湖南大學，2012.

[8]?王家禮，朱滿座. 電磁場與電磁波[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2018.

[9]?陳秀武. 關于平面電磁波極化方式的討論[J]. 蘭州文理學院學報（自然科學版），2016，30（6）：31-33.

[10]?蒿連亮. 寬帶圓極化整流天線研究[D]. 成都：電子科技大學，2014.

[11]?毛玉星，劉翔宇，王唯. 一種基于STM32單片機的應用實驗平臺設計[J]. 工業和信息化教育，2019（8）：63-68.

[12]?徐宇寶，林華，余平. 基于STM32的多級LED調控器設計[J]. 洛陽理工學院學報（自然科學版），2019，29（2）：55-60.

（收稿日期：2019.11.07）