新工科背景下“電波傳輸與天線”的課程改革與設計

王菲

（西安交通工程學院，陜西西安，710300）

0 引言

“電波傳輸與天線”這門課程是電子信息、通信工程等專業的基礎必修課程，是一門理論性、應用性和實踐性都非常強的課程[1][2]。本門課程涵蓋的內容包括電磁場理論、微波傳輸線理論、微波網絡基礎以及天線理論等相關內容[3-5]。一般情況下，在課程教學過程當中，大多數情況下都是教師主要在課堂授課，并且理論概念抽象、公式推導繁雜、與工程實踐結合不緊密等問題的存在使對學生普遍感覺學習困難，所以這就在一定程度上打擊了學生對于學習的積極性和主動性。拋開“學”只管“教”就失去了教學的根本意義。

新工科教育培養模式主要內容包括學科交叉融合，理工結合、工工交叉、工文滲透，孕育產生交叉專業，跨院系、跨學科、跨專業培養工程人才的教育模式[6][7]。“新工科”中的“新”反映了新時代的特色，與傳統工科相比更加注重未來的科學技術和產業的發展，體現交叉學科之間的融合性[8]。傳統教學方法已經不能滿足“新工科”背景下教學的要求，面向“新工科”背景下“電波傳輸與天線”教學改革研究是一個嶄新的命題。

本文針對“電波傳輸與天線”課程出現的上述問題，將新工科教學模式引入課堂教學設計中。以“八木天線”為例，將課堂內容分割成不同環節，分析該天線在工程中參數的具體要求和指標，在此天線參數和指標的學習基礎上，引出電磁波在空間中的傳輸理論，從而讓理論知識不再枯燥和難懂。

1 新工科教學模式的課程改革

無線通信過程如圖1所示，發射機發射出來的電磁波通過發射天線輻射到空間并向四面傳播出去，如果在電磁波的傳播方向上放一個對稱振子，那么在對稱振子上就會產生感應電動勢[9][10]。如果天線和接收設備是相互連接的狀態，那么在接收裝置的輸入端就會產生一個高頻電流。這樣的話，此時天線的作用就是接收電磁波，于此同時將電磁波轉化為高頻電流。天線接收效果的優劣與電波的強弱有關，同時還和天線的方向性以及半邊對稱振子和接收設備的匹配性有關系。整個過程涉及到電波傳輸與天線課程的內容，我們會圍繞整個系統來形象的對本課程進行設計。

圖1 無線電通信系統圖

以“八木天線”為例，分析實際工程上研究該天線性能所需要的相關電參數，就這些參數來分析微波的傳輸理論，從而進一步分析研究電磁波在空間當中的傳輸特性。

1.1 故事引出，增加趣味性

在課程的一開始先給學生們講述關于“八木天線”的小故事，讓學生們了解它的來歷以及發展進程。如圖2所示，八木天線的結構是非常簡單的，它是由由一個有源振子、一個無源反射器和若干個無源引向器平行排列而成的端射式天線。在二十世紀20年代，由日本東北大學的八木秀次和宇田太郞兩人發明了這種天線，被稱為“八木宇田天線”，簡稱“八木天線”。但就是這樣簡單的天線，它的方向性確是很好的，并且比偶極子天線的增益更高[11][12]。那么這個天線在通信系統中如何接收和發送電磁波，電磁波在空間中如何傳輸？帶著這幾個問題，和學生們一起進入到本門課程的學習中。通過這樣的引入，我們相信這不但會增加課程的趣味性，而且還會激發學生們的學習興趣，同時也會帶動學生們的學習動力。

圖2 八木天線

在課堂上，我們可以將抽象的內容形象化，讓學生理解抽象的天線時，可以用我們的耳朵和嘴巴來進行類比。我們人類和人類在進行信息交互的時候，就是用嘴巴來輸出信號，然后耳朵來接收信號。其實在通信的系統當中，天線的作用和我們耳朵和嘴巴的作用都是一樣的，發射端的天線就像嘴巴一樣將信號發射出去，接收端天線將信號接收到，但是不同的是通信系統當中的天線既可以發送電磁波還可以接收電磁波，即就是有些天線既可以作為發射端，也可以作為接收端。

1.2 系統拆分，逐個學習

（1）天線分析

用以前的收音機或者是電視機上面的伸縮桿子來引出來即將要學習的天線，收音機要能夠有效的接收到信號，我們通過拉長或伸縮，亦或是旋轉收音機上的桿子來接收到信號，以此來讓學生們思考，這些肯定是會影響天線的性能。那么影響天線性能的參數不只是這幾個。以此來引出來我們即將在天線部分要學習的內容。

我們知道，對于一個天線的設計，我們需要根據特定環境下給定的電參數，如增益、波瓣寬度、副瓣電平、前后輻射比及阻抗帶寬等，以此來確定振子數、振子間距、振子長度及半徑等的初始結構參數；從而進一步通過專業的電磁仿真軟件HFSS進行仿真驗證。

八木天線的工作原理：引向器略短于二分之一波長，主振子等于二分之一波長，反射器略長于二分之一波長，兩振子間距四分之一波長。此時，引向器對感應信號呈”容性”，電流超前電壓90°；引向器感應的電磁波會向主振子輻射，輻射信號經過四分之一波長的路程使其滯后90°恰好抵消了前面引起的“超前”，兩者相位相同，于是信號迭加，得到加強。反射器略長于二分之一波長，呈感性，電流滯后90°，再加上輻射到主振子過程中又滯后90°，兩者加起來剛好差180°，起到了抵消作用。一個方向加強，一個方向削弱，便有了強方向性。發射狀態作用過程亦然。如圖3所示為八木天線的增益仿真圖。

圖3 八木天線的增益

（2）傳輸線分析

發射機發送出來的電磁波要被接收天線接收到，它肯定要有一個傳輸設備，這個設備就是傳輸線。傳輸線是類似于輸送電磁波能量的設備，它是把載有需要傳遞的有用信號的電磁波，沿著傳輸線有限的空間從一端輸送到另外一端的設備[14-15]。

在傳輸線的分析和學習上面，我們可以用平時坐火車來進行形象的說明，火車上的旅客可以認為就是電磁波，傳輸線好比就是火車。當車站上的乘客上車后，活動范圍就被限制住了，只能在火車車內活動，此時的乘客是隨著火車前進的方向向前移動，等到達目的地，乘客出站后，是完全可以自由活動的，這就像是電磁波在自由空間當中進行傳播。此時的火車門就可以認為是天線。乘客可以在此上車，也可以下車。

如果要使傳輸線輸送的能量被負載最大化的接收到，就會涉及到阻抗匹配的問題。阻抗匹配的最重要的目的就是要求負載阻抗和傳輸線的特性阻抗要相等。但是如果負載阻抗與傳輸線的特性阻抗存在不相等的情況，那么一般情況下就需要我們在傳輸線的輸出端和負載之間接入一個阻抗變換器，這樣做的目的就會使后者的輸入阻抗而與傳輸線的特性阻抗相等，這就是我們一直說的匹配問題。我們實際在電路設計和調試的過程中，通常會借助網絡分析儀和史密斯圓圖工具，這樣就可以達到事半功倍的功效。

圖4 Smith圓圖

（3）電磁波傳播特性分析

這一部分的內容，首先必須要提的人物就是麥克斯韋，通過給學生們講解麥克斯韋的人生歷程，以及在整理前人的理論和實驗結論得出麥克斯韋方程的整個艱辛路程，讓學生對麥克斯韋方程感到不那么生硬，帶有一部分感情色彩。麥克斯韋的電磁場理論使人類通信發生了革命性的突破，為無線通信的應用徹底改變了人類的通信方式，其中最重要的兩點是：（1）在移動通信方面，擺脫了線路的束縛，真正實現了無處不在的通信；（2）在太空通信方面，為人類實現太空探索提供了通信手段。式（1）為麥克斯韋方程的微分形式和積分形式[16]。

我們知道，發射機發射出來的信號經過傳輸線到達發射天線，發射天線把信號傳輸發送出去，信號攜帶在電磁波上進行傳輸，電磁波在傳輸的時候，由電流的變化產生磁場，磁場的變化產生電場，再由變化的電場產生磁場……，如此循環下去，指導衰減完。電場和磁場就是這樣相互垂直的向前傳遞，就像一條索練一樣延伸到無窮遠。

電磁波和聲波以及光波一樣，可以在空間中傳播，也可以再真空中或者水中傳播。一般情況下，無線傳輸的距離是遠遠大于在作為饋線的導播系統內的傳輸距離的。電磁波在傳輸的過程中，是通過電場能量和磁場能量之間的不斷轉換向前傳播的，如果電磁波在真空中傳輸的時候，就可以無損耗的向前傳播，不需要介質或所謂的以太物質作為其傳播媒質。所以我們在這一部分學習的時候，會介紹波在不同介質中傳播特性。如圖5所示為波在空間當中傳輸特性。

圖5 電磁波傳輸特性

2 結束語

本文將新工科教學模式應用到《電波傳輸與天線》課程中，以“八木天線”教學設計為引導，將新工科模式有效融入到教學過程當中。在自由和諧的課堂情境中，教師采用適當的教學方法引導鼓勵學生參與到教學環節，學生通過深入地思考討論開展交流互動，從而最終實現良好的教學目標。