电波传播与天线专业的教学实验研究

杨国斌，张援农，姜春华，孙恒青，朱 鹏

电波传播与天线专业的教学实验研究

杨国斌，张援农，姜春华，孙恒青，朱 鹏

（武汉大学 电子信息学院，武汉 430072）

针对武汉大学电波传播与天线专业的特点，利用“电离层探测系统”，设计并实现了电波在电离层中传播的综合教学实验。作者将科学研究设备用于教学实验的尝试，使学生对地基电离层探测的原理和方法有了一定的认识，加深了对电离层中的电波传播理论的理解和认知，对无线电波在空间探测中的应用有了一定的认识，培养了学生利用现代电子信息科学技术对无线电系统及信息获取进行分析、设计和综合应用的能力以及科学研究的兴趣。

综合实验；实践能力；电波传播与天线；空间探测

电波传播与天线专业应用近代物理学和电子信息科学的基本理论、方法和实验手段，研究电磁波的辐射、传播、散射及其在通信、雷达、遥感、导航等领域中的应用。本专业培养具有坚实数学物理基础，掌握现代电子信息科学技术的基本理论、基本知识和实验技能，能运用计算机等现代工具对无线电系统及信息获取进行分析、设计和综合应用的高级专门人才。

针对电波传播与天线专业开设的部分专业课程，如《空间探测技术》《空间环境》《电波传播及实验》《天线原理及实验》《雷达原理》等，我们利用武汉大学电离层实验室研制的“电离层探测系统”，设计并实现了电波在电离层中传播的教学实验。实验的目的是使学生了解地基电离层探测的主要原理和方法，掌握电离层中的电波传播理论和电离层的物理特性的信息获取，培养学生综合分析、应用的能力和科学研究的兴趣［1］。

1 实验设备和电离层探测原理

武汉大学的“电离层探测系统”是一种新型电离层探测设备，主要用于对系统所在地区的电离层状态进行实时探测和监控，它由天线系统、发射系统、接收系统、显控系统和应用软件组成，如图1所示［2］。

该系统工作频率可在整个短波波段的频率范围（2～30 MHz）内连续改变。进行探测时，发射机产生脉冲调制高频无线电信号，通过天线垂直向上发射，在同一地点接收这些脉冲的电离层反射信号，测量出电波往返的传递时延，从而获得反射高度与频率的关系曲线，即垂直探测的电离层频高图；如果从地面向上斜发射高频无线电信号，并在一定距离外接收电离层的反射信号，则可以获得斜向探测的电离层频高图。对回波信号进行分析可得到电离层信息和高频信道特性。

2 综合实验的教学设计思想

武汉大学电离层探测仪是应用近代物理学和电子信息科学的基本理论和方法，对无线电系统及信息获取进行设计、分析和综合应用的成果。涉及到的专业知识专业有：通信原理、射频电路、数字信号处理、空间探测技术、空间环境、电波传播、天线原理、集成电路设计、软件技术基础、雷达原理、DSP技术等。而这些正是电波传播与天线专业开设的主要专业课程。我们利用电离层探测仪设计了相应的教学实验。

图1 电离层探测仪硬件结构图

（1）电离层探测技术是一门工程实践性很强的学科。要完成一个综合性的实验项目，必须让学生对实验设备、实验原理、控制系统等进行认知和了解，充分了解系统的使用方法，对学生进行理论知识、方法及技能的培养。

（2）电离层探测技术涉及多学科间的交叉，内容安排要涵盖多门课程，通过实验培养学生从整体入手，多方位思考问题的能力，为今后从事科学研究打下良好基础。

（3）实验内容要与实际的科学研究相结合。通过合理的实验项目。学生在选择实验项目以后，通过查阅文献，设计实验方案和实验步骤，掌握每个实验项目的设计方法。学生可以利用项目组的形式进行设计特色探讨以及解决实验设计过程中出现的问题，提高学生自身的设计水平。

（4）实验应将训练学生的动手能力和创新能力作为实验教学的根本任务。学生利用自己设计的实验控制系统，在设备上进行调试，让其可实现并具备一定的合理性，最终写出设计报告并附有设计结果。

传统的实验教学大多采用验证理论的方式，虽然理论得到了验证，但让学生实际思考的东西不多，导致学生的学习积极性不高。本实验的内容开放，可以激发学生的创造性和学习热情，开发学生的创造性思维、创新意识和创新能力［3－5］。

3 综合实验平台的建立和实施方法

3.1 综合实验平台的建立

综合实验是学生基础理论与专业理论知识的综合运用，帮助学生学会项目的设计方法及应用，使学生在接触科学仪器的同时受到较全面的系统实验的训练，与此同时还要考虑到实验的适用性和可操作性，提高学生的积极性。为了更好地实现教学实验，根据“电离层探测仪”的特点，我们设置了如图2所示的实验教学平台。

3.2 综合实验的实施方法

实验项目的设置既要注重先进性和科学性，用科学发展观指导学生的题目设计，还要注重知识的覆盖面，使课题紧跟技术发展的需要，不断更新，让学生实时接触新技术。同时要切合实际，有可操作性，难易结合，知识点多，学生在操作中能体验知识运用的乐趣和创新的兴趣，并使他们在完成设计时具有成就感，这就会大大地提高学生的实验兴趣和设计积极性［6－7］。

根据“电离层探测系统”的特点和专业方向，根据图2所示的实验平台，我们设计的教学实验内容包括以下几方面［8－9］：

（1）天线系统。根据实验内容和天线的特性，天线可以选择对数周期天线、三线式天线、二线式天线、斜拉式天线等。

（2）探测模式和方式。依据项目的设计和研究内容，可以选择垂测、斜向返回探测方式，以及单站或者双站探测。

图2 实验平台构建框图

（3）探测波形的设计和演示。雷达探测技术、扩频通信技术、伪随机编码特性、脉冲压缩原理、匹配滤波原理。

（4）探测时序的设计和演示。线性调频连续波、中断线性调频连续波、脉间相位编码、脉内相位编码、收发控制时序转换。

（5）电离层电波传播。通过项目的设计，可以加深对电离层介电特性、传播路径、传播损耗、跳距、正割定理、等效路径定理、等效虚高定理的理解。

（6）实验探测结果及物理意义。显控软件可以获得电离层频高图、散射函数、多普勒频移、多径展宽、最低可用频率和最高可用频率、电离层虚高、电离层临频、电离层电子浓度分布等电离层信息和高频信道特性。

根据实验项目，学生可以自由组合，3～4名一组选择1个设计项目，每人要有分工，设计报告独立完成。选题后，通过查阅资料构思实验计划、拟定实验步骤、选择设计原理、确定系统构成，并写出详细的设计方案。学生设计方案确定后，让学生充分了解实验设备的结构及控制系统软件的使用方法后，完成系统硬件配置以及软件的使用方法的学习，最后完成整个设计和探测调试，经指导教师评阅后进行后续操作，完成实验。

3.3 设计要求

（1）在设计过程中，对所选的实验项目要根据相应的科学目的和实验室现有的设备，完成硬件配置并选择相应的天线系统、探测模式、探测时序的设计和探测波形的设计。

（2）设计完成后，在探测过程中对出现的问题要仔细分析、查找原因，并对数据进行记录，对实验结果做出分析和总结。

（3）实验完成后，以论文的形式写出实验总结。

4 结束语

基于电离层探测系统的教学实验的设计，不仅能够激发学生学习的兴趣，促进学生对科学基础知识的理解和吸收，同时又能够让学生在亲自动手的活动中积极地思索，培养学生的创造能力。通过这样的实验，使学生较为系统地经历了一次以科学研究为目的的设计训练，培养并提高了他们的研究能力和创新能力。通过实验，学生对本专业的理论知识也有了更深一步的了解，从而提高了理论知识的分析和综合应用的能力。

［1］武汉大学电子信息学院.武汉大学电子信息学院本科生培养计划［EB/OL］.［2013－9－15］.http：//eis. whu.edu.cn/channels/21.html

［2］杨国斌，赵正予，陈绪元.基于相位编码脉冲压缩体制的电离层探测系统［J］.华中科技大学学报：自然科学版，2009，37（3）：33－35

［3］卢清华，李先祥，叶树林，等.面向卓越工程师培养的实践教学改革探索［J］，实验科学与技术，2013，11（3）：39－42.

［4］郑春龙，邵红艳.以创新实践能力培养为目标的高校实践教学体系的构建与实施［J］，中国高教研究，2007（4）：85－86.

［5］王文花.深化实验教学改革的途径［J］，实验室研究与探索，2005，24（6）：11－13.

［6］张雅君，周宇，韩英，等.建立实验室开放平台培养学生的创新精神与实践能力［J］，实验技术与管理，2008，25（2）：23－25.

［7］田东，高平.实施启发式的开放实验教学研究［J］，实验技术与管理，2006，23（3）：91－93.

［8］李婷，赵正予，苏凡凡，等.电离层斜向返回探测仪的智能显控系统设计［J］.北京工业大学学报，2012，38（7）：1052－1056.

［9］王烽，赵正予，李婷.单站电离层探测系统自动跳频探测模式的设计与实现［J］.电波科学学报，2009，24（4）：604－609.

Experimental Teaching Study of Radio W ave Propagation and Antennas

YANG Guobin，ZHANG Yuannong，JIANG Chunhua，SUN Hengqing，ZHU Peng
（School Electronic Information，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

According to the characteristics of Radio－wave Propagation and Antenna of Wuhan University，the experiment of radio wave propagation in the ionosphere with ionosonde is designed and adopted in the class.From this experimental teaching，the students could appreciate the theory and methods of ground based ionosphere sounding，the theory of radiowave propagation in the ionosphere，and understand the application of radiowave in the ionosphere detection.The students would obtain the general ability to analysis and design of the radio wave system and the access to the information in terms of basic theory and knowledge ofmodern electronic information technology.

comprehensive experiment；practical ability；radio－wave propagation and antenna；space exploration

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672－4550.2014.05.024

2013－10－15；修改日期：2013－10－31

教育部紧缺专业、武汉大学国防特色专业：电波传播与天线建设资金资助项目。

杨国斌（1983－），男，博士，讲师，研究方向：空间探测及信号处理。