電磁波與天線課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與研究

薛紅 曹文權(quán) 朱衛(wèi)剛 邵尉

陸軍工程大學(xué)通信工程學(xué)院 南京 210007

0 引言

電磁波與天線課程是電子信息、電氣工程、通信工程類等專業(yè)本科生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，屬于理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程。本課程的特點(diǎn)是體系完整、理論性強(qiáng)、概念抽象、公式繁多。當(dāng)前，院校精品課程建設(shè)對該課程提出新要求，需要靈活運(yùn)用各種資源，多角度全方位設(shè)計(jì)并梳理教學(xué)內(nèi)容，改革傳統(tǒng)的教學(xué)模式，注重學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，需要在工程背景和實(shí)際應(yīng)用等方面做加法，進(jìn)一步提升教學(xué)效果。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課程的重要組成部分，與理論教學(xué)相輔相成，其作用是使學(xué)生能夠更好地理解和掌握電磁場與電磁波、天線與電波傳播的基本概念和基礎(chǔ)理論，課程建設(shè)中對實(shí)驗(yàn)學(xué)時進(jìn)行增加，同時配合理論內(nèi)容進(jìn)行改造，目的就是培養(yǎng)學(xué)生的電磁工程實(shí)踐能力，鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維，激發(fā)創(chuàng)新意識，培育創(chuàng)新精神，為其今后深入學(xué)習(xí)、崗位任職打下良好的基礎(chǔ)[1-3]。

1 研究現(xiàn)狀

根據(jù)課程建設(shè)的要求，緊貼天饋系統(tǒng)的工程應(yīng)用，課程內(nèi)容主要包括電磁場和電磁波基礎(chǔ)理論、傳輸線和天線技術(shù)應(yīng)用、實(shí)際電波傳播模型三個模塊，圍繞強(qiáng)化基礎(chǔ)理論、突出工程應(yīng)用、注重實(shí)踐環(huán)節(jié)，系統(tǒng)地設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，知識內(nèi)容主要有電磁場理論、電磁波的傳播反射與折射、傳輸線理論與微波傳輸線、天線技術(shù)和電波傳播。

電磁場理論部分為課程學(xué)習(xí)準(zhǔn)備了必要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和物理規(guī)律，相對來說比較抽象，特別是電磁場基本方程。如何將這部分場理論的內(nèi)容和后續(xù)理論與應(yīng)用更好地融合，需要進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。而傳輸線、天線部分、電波傳播部分，與實(shí)際應(yīng)用的貼合度比較高，學(xué)生比較容易理解，實(shí)際的傳輸線與天線有很多種類型，不可能在課堂上一一詳述，結(jié)合相關(guān)專業(yè)背景，突出重點(diǎn)，按照類型及其作用，由一及多，由點(diǎn)到面，由面到體，隨著維度的增加，內(nèi)容也體現(xiàn)了高階性。主要目的是培養(yǎng)學(xué)生把握實(shí)質(zhì)、提煉思路的科學(xué)思維方法。

課程理論內(nèi)容之外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是必不可少的，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要緊貼課程教學(xué)主線，實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合，將抽象的問題形象化和具體化，復(fù)雜的問題簡單化，通過可視化實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步提升教學(xué)效果。課程改造前，實(shí)驗(yàn)學(xué)時比較少，而且都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，無法滿足精品課程教學(xué)需要。目前，精品課程建設(shè)中，“圍繞如何開展電磁波天線課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如何恰到好處地將理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，如何通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)增強(qiáng)教學(xué)效果，提升學(xué)員能力”等問題進(jìn)行研究并相應(yīng)實(shí)施，是非常有意義的。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置以及考核評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)提倡采用“多元化”的體制，其目的是全面反映學(xué)生真實(shí)水平，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，全面考核學(xué)生的能力和素質(zhì)[4-8]。

2 實(shí)驗(yàn)架構(gòu)

電磁波教學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是電磁波與天線課程配套的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，圍繞電磁場、電磁波、傳輸線、天線技術(shù)、電波傳播等模塊中的重要知識點(diǎn)，融驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、綜合性和創(chuàng)新性于一體，能夠幫助學(xué)生透徹地了解電磁場、電磁波、傳輸線、電偶極子、應(yīng)用天線的基本結(jié)構(gòu)及其特征等重要知識點(diǎn)，深刻理解法拉第電磁感應(yīng)定律以及電磁波輻射的原理，掌握電磁波測量技術(shù)原理和方法，建立電磁波的形象思維，加深對電磁波產(chǎn)生、發(fā)射、傳輸、接收過程中重要知識點(diǎn)的認(rèn)識與理解，通過學(xué)生自主動手制作振子感應(yīng)器、振子接收天線、定向天線等，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和拓展實(shí)驗(yàn)，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要包括電磁場、電磁波、微波傳輸線、應(yīng)用天線的驗(yàn)證與測試實(shí)驗(yàn)，這部分實(shí)驗(yàn)使學(xué)生能夠從現(xiàn)象中感受電磁場、電磁波的存在，然后通過測試了解電磁場、電磁波的各種特性和規(guī)律，深刻理解電磁輻射、電磁波傳輸、電磁波反射、場強(qiáng)的原理，掌握電磁波測量技術(shù)原理和方法，利用可視化教學(xué)使電磁場與電磁波從無形變?yōu)橛行危瑥某橄笞冃蜗蟆?/p>

拓展實(shí)驗(yàn)主要包括天線的測量、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過測試天線的各項(xiàng)電參數(shù)，掌握基本的測試方法，結(jié)合理論動手設(shè)計(jì)并制作天線，讓學(xué)生參與其中，提高學(xué)生的動手能力。通過實(shí)驗(yàn)的完整體驗(yàn)，學(xué)生可以在知識理解、實(shí)物操作、創(chuàng)新能力、動手能力等方面獲得很大的提高，為將來更進(jìn)一步的學(xué)習(xí)、研究或者從事相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。

本課程配套的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供一種測量天線方向圖、天線增益、天線極化等特性的測試平臺，包含發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)、天線轉(zhuǎn)動平臺、數(shù)據(jù)處理及終端顯示系統(tǒng)，集多種測試功能于一體，通過對不同天線特性的測試，加深學(xué)生對天線方向圖的感性認(rèn)識，對增益等參數(shù)的定量計(jì)算，學(xué)生可用該系統(tǒng)設(shè)計(jì)各種天線進(jìn)行天線特性測試，掌握并加深對天線特性的認(rèn)識。

如圖1 所示，系統(tǒng)中的四極化天線是一種可重構(gòu)極化的天線，根據(jù)接入端口不同，可以分別發(fā)射垂直極化、水平極化、左旋圓極化、右旋圓極化的電磁波，其工作頻率為138 ～4 400 MHz，8.5 ～10.5 GHz。四極化天線所在的位置可以換上其他的線天線和喇叭天線，其中線天線的工作頻率范圍可為700 ～1 200 MHz，喇叭天線的工作頻率范圍為8.5 ～10.5 GHz。云臺組件包含方位角云臺、方位角轉(zhuǎn)盤、俯仰角云臺，可以分別在水平面旋轉(zhuǎn)360°，豎直面旋轉(zhuǎn)360°，測量精度為1°。系統(tǒng)右端的反射板為金屬板，可以反射電磁波，也可以屏蔽電磁波。系統(tǒng)中有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上裝有滑塊，用于滑動云臺和反射板。當(dāng)按下電磁波發(fā)射開關(guān)后，經(jīng)過放大的電磁波，從射頻放大輸出端口輸出。數(shù)據(jù)輸入端口可以將接收到的信號強(qiáng)度傳入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，拓展實(shí)驗(yàn)輸出端口可以輸出未經(jīng)放大過的信號。

圖1 電磁波與天線綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3 教學(xué)實(shí)施

教學(xué)實(shí)施過程中，基于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和拓展實(shí)驗(yàn)，重新構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)K框架，梳理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，創(chuàng)新教學(xué)方法。從宏觀上把握教學(xué)活動整體及各要素之間的關(guān)系和功能，在教學(xué)實(shí)施過程中要突出其可操作性和有序性，主要從以下幾個方面出發(fā)。

3.1 定性分析與定量計(jì)算

實(shí)驗(yàn)中使用振子感應(yīng)器和振子接收天線進(jìn)行對比分析。使用振子感應(yīng)器進(jìn)行定性分析，采用振子接收天線進(jìn)行定量計(jì)算。以電磁波波長的測量為例來說明，發(fā)射部分選擇四極化天線的垂直極化方式，將振子感應(yīng)器固定在云臺連接塊上，再整體放入云臺支臂里，保持振子感應(yīng)器豎直放置，云臺支臂與導(dǎo)軌平行，固定云臺支臂，最后將云臺移動至30 cm位置。將反射板放入支撐桿，保持反射板與四極化天線相對，然后旋緊固定螺釘，并將其移動至導(dǎo)軌最右側(cè)。進(jìn)入輻射特性實(shí)驗(yàn)界面，將發(fā)射頻率設(shè)置為1 100 MHz，并發(fā)射電磁波。一直保持發(fā)射狀態(tài)，從遠(yuǎn)到近移動反射板，觀察振子感應(yīng)器明暗變化情況。以感應(yīng)器燈泡明暗度判斷波腹（波節(jié)）的出現(xiàn)。移動反射板，觀察第一次感應(yīng)器燈泡最亮，記錄金屬板位置，觀察第一次燈泡最暗，記錄金屬板位置，根據(jù)波腹和波節(jié)之間的距離，計(jì)算出電磁波的波長。然后將振子感應(yīng)器取下，換上振子接收天線，并連接電纜。保持振子接收天線豎直狀態(tài)，云臺支臂與導(dǎo)軌平行，將云臺移動至19 cm 位置，反射板移動至30 cm 位置。將發(fā)射頻率設(shè)置為900 MHz，保持發(fā)射狀態(tài)，同時采集數(shù)據(jù)。獲取反射板在30 cm 處時接收天線接收到的強(qiáng)度，并在直角坐標(biāo)系中繪點(diǎn)，按照采樣點(diǎn)距設(shè)置要求，將反射板從30 cm 處移動至31 cm 處，獲取反射板在31 cm 處天線接收到的強(qiáng)度，同時繪點(diǎn)，并與30 cm 處的點(diǎn)連線。根據(jù)上述操作，將反射板從30 cm 向右側(cè)移動。觀察繪制的數(shù)據(jù)曲線，獲取波腹、波節(jié)的位置，計(jì)算電磁波的波長。

3.2 振子天線制作

用信號發(fā)生器作為發(fā)射源，通過發(fā)射天線向空間輻射電磁波。如果振子感應(yīng)器置于電磁波中，就能在感應(yīng)器的導(dǎo)體上感應(yīng)出高頻電流，接收感應(yīng)器離發(fā)射天線越近，電磁波功率越強(qiáng)，感應(yīng)電動勢越大。如果用微小功率白熾燈泡接入感應(yīng)器電路板適合的饋電點(diǎn)，使感應(yīng)器電路板和白熾燈構(gòu)成一個完整感應(yīng)器電路器件，將該器件置放于空間電磁波中，當(dāng)感應(yīng)器電路器件與空間電磁波波長參數(shù)匹配時，就能夠耦合接收到空間電磁波能量，當(dāng)耦合到的能量足夠時，就可使白熾燈發(fā)光。感應(yīng)器電路板與白熾燈、金屬導(dǎo)線，共同構(gòu)成一個完整的電磁感應(yīng)裝置，如圖2 所示。

圖2 振子感應(yīng)器電路板

將振子感應(yīng)器替換為振子接收天線，可以更精確地測量制作的天線。接收天線和感應(yīng)器形狀一樣，按照制作感應(yīng)器的方式，將漆包線安裝后形成新的接收天線。將N 型轉(zhuǎn)接頭連接面板的射頻輸入接口，將數(shù)據(jù)接收電纜SMA 接口端與此N 型轉(zhuǎn)接頭連接，再將數(shù)據(jù)接收電纜與制作的接收天線連接。將接收天線固定在云臺連接塊上，再將這一整體放入云臺支臂里，保持制作的接收天線是豎直放置，云臺支臂與導(dǎo)軌平行，然后固定云臺支臂，將云臺移動至20 cm 位置。保持按下發(fā)射按鈕，將感應(yīng)器電路板緩慢靠近發(fā)射天線，然后再遠(yuǎn)離發(fā)射天線，觀察場強(qiáng)檢測實(shí)驗(yàn)界面表盤讀數(shù)以及指針偏轉(zhuǎn)，并記錄天線處于三個不同位置時表盤顯示的數(shù)據(jù)。

3.3 定向天線制作

設(shè)計(jì)一個帶有刻度的塑料尺連接件，如圖3 所示。附有幾個長方形的塑料滑塊，用塑料螺絲固定金屬桿或Φ1 mm 的漆包線，可以將有源振子和無源振子固定在塑料滑塊上，再安裝在塑料尺的開孔上，振子的間距便可以自由調(diào)節(jié)。三元引向器天線設(shè)計(jì)步驟：首先選定實(shí)驗(yàn)頻率，然后按半波長縮短5%的長度制作有源振子，將有源振子作為接收天線，調(diào)整長度，使接收值最大。用感應(yīng)器固定螺絲穿過有源振子和塑料尺的縫隙，固定在云臺連接塊上。按有源振子的實(shí)際長度，再增加10%的長度制作無源振子，作為反射器，長度還可以精確調(diào)整。反射器距離有源振子（0.1 ～0.5）λ，用塑料尺連接件組合安裝成帶有反射器的二元引向天線。最后將制作好的三元引向器天線安裝在云臺支臂上，保持反射器在有源振子之后，塑料尺方向與導(dǎo)軌平行，此時云臺支臂與導(dǎo)軌垂直，然后固定云臺支臂。

圖3 三元引向天線

3.4 引向天線的方向圖測量

保持發(fā)射狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。獲取引向天線收到的強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)界面會在極坐標(biāo)0°處繪制圓點(diǎn)，距離圓心的距離越遠(yuǎn)代表接收到的強(qiáng)度越強(qiáng)。按照采樣點(diǎn)距設(shè)置要求，用云臺轉(zhuǎn)盤將引向天線從與導(dǎo)軌平行旋轉(zhuǎn)5°到偏離導(dǎo)軌方向5°，采集引向天線偏離導(dǎo)軌方向5°時天線接收到的強(qiáng)度。將引向天線旋轉(zhuǎn)360°，根據(jù)角度和電壓值，記錄數(shù)據(jù)，將最大的電壓值作為基準(zhǔn)值，以基準(zhǔn)值計(jì)算其他角度電壓與基準(zhǔn)值的比值，按照比值的方式將數(shù)據(jù)畫入極坐標(biāo)圖中。根據(jù)公式計(jì)算天線的增益。改變?nèi)蚱髦蟹瓷淦骱陀性凑褡印⒂性凑褡雍鸵蚱鞯南鄬ξ恢茫俅芜M(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測量新的三元引向器的方向圖和增益。

4 結(jié)束語

依據(jù)精品課程建設(shè)和課程教學(xué)大綱的要求，以需求為牽引，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)置觀念，反推教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)模型，按照需求、目標(biāo)、內(nèi)容、課堂、需求的路徑重新構(gòu)建實(shí)驗(yàn)體系，形成閉環(huán)。結(jié)合課程相應(yīng)的理論知識點(diǎn)，從工程應(yīng)用層面梳理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，結(jié)合通信系統(tǒng)中的天饋系統(tǒng)部分，針對天線技術(shù)、微波技術(shù)、電波傳播等模塊，增加工程背景和工程應(yīng)用，融入可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，變抽象為形象，化復(fù)雜為簡單，方便學(xué)生理解和掌握，有效提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的含金量，進(jìn)一步提升教學(xué)效果。從目前的教學(xué)實(shí)施過程來看，可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。