天线课程教改实践

杨凌升

摘要：天线作为高校的一门专业课程，学生学习起来面对大量数理公式推导，容易产生畏难情绪。为改善这一问题，笔者在天线教学过程中，通过多媒体辅助、案例教学以及仿真计算，激发学生学习兴趣，强化学生对理论和概念的理解，取得了良好的教学效果。

关键词：天线；多媒体辅助；案例教学；仿真计算；教改实践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）33-0097-02

一、引言

天线课程作为高校电子和通信工程专业的一门专业课程，是建立在电磁场与电磁波理论基础之上的。其内容比较广泛，有着很强的理论性。学好这门课需要理解较多的基于麦克斯韦方程组及其边界条件的公式推导，进而需要学生有较为扎实的数理功底。这导致了学生在学习天线课程时，容易产生畏难情绪。而且天线课程作为一门与工程实际联系十分紧密的课程，教学中如果过分侧重理论学习将会使这门课变得过于抽象，从而降低学生的学习兴趣，这样就不能充分发挥学生在高校教育中“学”的作用，最终影响整个课程的教学效果。笔者通过多媒体辅助教学，来增强学生对天线中“能量转换”与“辐射”的理解；通过案例教学，使得对各种种类天线的学习不再枯燥；并使用常用电磁仿真软件，让教学做到理论与实践相结合，从而取得了良好的教学效果。本文就该课程的基本情况和所做的教改实践加以介绍。

二、天线课程的特点

该课程作为电子与通信工程专业的一门专业课程，其任务是使学生掌握天线的基本概念、基本理论和基本分析方法。内容涵盖了天线所涉及的各个方面的知识，信息量大，理论性强。该课程建立在电磁场与电磁波、高等数学、向量代数等基础课程的基础之上，又是许多后续课程如《移动通信》、《智能天线》等的基础，对后续课程的学习有着重要的作用。

该课程讲授各种类型天线及从电磁流出发，通过运用前期所学电磁场和高等数学等相关知识来分析它们的辐射特性，对学生的理论储备要求较高。同时，该课程还注重与实践相结合，在掌握各种天线特性及相关理论的同时，还要求学生能够根据工程实际，选择合适的天线种类，并进行相关设计。

三、教改实践

（一）多媒体辅助教学

学好天线这门课程需要掌握各类天线在能量转换和定向辐射（或接收）中所发挥的作用。其中能量转换是将天线作为传输线的一部分，将引导的电磁波（高频电流）依靠终端散射转变为向空间辐射的电磁波传向远方，或是将空间的电磁波转换为传输线引导的电磁波（高频电流）送给接收机。定向辐射则需掌握诸如方向图，天线口径，有效高度，定向性、增益，线极化、椭圆极化和圆极化等辐射特性相关知识点。

要让学生正确理解并掌握这些物理过程和相关物理概念，单纯依靠教材中的从电气电子学会的生涩定义出发，对复杂物理过程进行一系列公式推导，进而得来相应的概念；以及对各类天线结构、特性的二维图示显然是不够的。笔者利用多媒体辅助教学手段，并利用诸如MATLAB等软件编程设计相关物理特性以及天线结构性能的动画过程。通过动画演示的方式，从传输线馈电出发直至天线辐射单元，将磁场能量转换过程形象直观的向学生展示出来，同学们可以从动画中看出，天线作为一个散射体，将传输线中的传递的能量，散射至自由空间，天线在整个传输过程中可以看出是传输线的一部分，只不过由于一些物理结构上的原因（弯曲、突变等），产生了电荷的加速过程，进而引发了辐射，从而加深了学生对辐射产生的机理的掌握；通过微带线，同轴馈线等一系列馈电结构的图形展示，以及结构中电磁场分布的动态情况，让学生更好的理解各种馈电结构的优缺点，方便他们将来在工程设计中选取合适的结构；通过环绕天线的三维方向图展示，简化学生理解诸如共面极化与交叉极化等辐射特性基本概念的过程，并加深同学们对诸如前后比等工程常用知识点的理解；在阵列天线教学中，通过改变天线阵列的阵元间距、阵元个数、馈电幅度以及馈电相位等要素，进而动态展示出相关天线阵的辐射特性相应改变，从而使得天线阵列授课不再是单一的由阵元辐射特性至阵列辐射特性的公式推导，而成为一种直观的讲授过程，也便于学生掌握阵列各要素所发挥的具体作用。

（二）案例教学

以往的天线课程教学，在介绍完天线课程所需基本理论知识之后，就会按基本振子辐射，线天线，面天线，阵列天线的顺序进行逐次教学。教学内容主要集中于对不同类型天线的特性（辐射特性，匹配特性等）的分析与讲解。学生在学习过程中，虽然掌握了相关理论知识，却无法得知相关类型天线在当今社会能够有何种应用，从而导致学生缺乏继续深入学习的热情与动力。

笔者在授课中引入实物举例，如在介绍线性天线时，以鞭状天线为例，向学生展示sony公司生产的具有电视接收功能的MP4一体机，通过鞭状天线的旋转、伸缩，同学们可以清晰发现所接收信号质量的变化，从而加深了对天线的增益及方向图等特性的理解。在讲授单极子天线时，可以结合学生最常使用的通信工具—手机来进行讲授。从传统具有外置天线的手机进而推广到现代内置天线的手机。内置天线的手机往往使用平面倒F型天线，这又是由传统单极子天线变形演变来的。通过介绍演变的过程，学生很容易接受并掌握相关天线的性能。

对于天线阵列，在讲授典型端射天线阵列——八木宇田天线时，引导同学们从生活周边进行寻找，进而引出最为常见的电视接收天线，有效活跃课堂气氛。通过介绍巡洋舰的天线系统，可以让学生在听讲十分感兴趣的军事知识的同时，自然而然的理解各种天线的用途以及相应设计原理。例如：双极子天线构成了其VHF通信天线；目标指示雷达天线用的是“药箱”天线或“奶酪”天线，属于抛物柱面反射器，其馈电是由双极子天线或者是喇叭天线来实现的；航海导航雷达天线也是由“药箱”型天线来构造，但由于功能不同，只需知道航向和距离的信息，所以天线只需在水平面旋转，而在仰角方面可以使用波束很宽的辐射特性，这又可以衍生出天线口径与波束宽度的关系这一非常有用的天线设计知识点，使学生在课堂上获得的天线相关知识进一步得到扩展；为了实现目标高度定位与搜寻功能，战舰则利用的是具有抛物线反射面的天线，与前面介绍的各种类型天线进行比较，同学们可以明显看出，为了实现不同的需求，天线需要具有不同的功能，进而带来了天线种类选取以及设计中的不同选择。通过这种方式，学生上课时的学习热情明显提高，因为掌握了各种天线在现代社会的具体应用学习目标也更明确。

同时，天线是一门拥有悠久历史的学科，在进行案例教学的过程中，笔者做到“与史结合”，通过对各时期杰出人物（海恩里克赫兹，奥利弗洛奇，Jagadis Chandra Bose，马可尼等）的回顾，以及他们取得的相应成果展示和所取得成果在对应时代所能完成的具体使命介绍，从而使得各类天线的产生以及其结构设计变得有源可寻，同学们在学习中可以做到“以史为鉴”，可以针对当代通信产业的发展，进行进一步的思考，探求天线发展与设计的新思路、新方法。

（三）仿真设计

天线课程与实际工程应用联系非常紧密，是一门具有很强实践性的课程。要想让学生学好这门课，就一定要做到理论与实践的无缝衔接。然而天线实验由于受到试验场地要求高，测试设备昂贵，天线单元制作要求高、周期长等因素的限制，很难在教学环节顺利展开。

针对以上问题，笔者提出以让学生使用商业电磁仿真软件，如Ansoft HFSS，IE3D，FEKO等来仿真设计天线实例。以HFSS（High Frequency Structure Simulator）为例，经过二十余年的发展，HFSS已成为业界公认的三维电磁场分析与设计的工业标准。它拥有简洁直观的用户设计界面，基于有限元法的精确自适应的场求解器，以及卓越的前电性能分析能力的后处理器。从而能够设计计算任意形状的三维天线结构，求解其S参数和全波电磁场。所得结果可以较为准确的反应天线的实际工作情况，做到仿真结果与实测基本吻合。利用这些软件对天线进行仿真计算具有开发效率高，结果简单明了等优点。学生通过这些工程软件建立所需研究的天线模型，并根据实际工程需求，设定相应的扫描频率、信号源、边界条件等，通过这一系列计算前期条件的设定，可以有效地加强对天线工作机理的理解。模型设定完成后，可以通过电磁仿真软件进行仿真运算，并得到诸如阻抗、带宽、增益、效率、S参数、天线驻波比、Smith圆图、远场方向图剖面、远场三维方向图特性等结果；并可以绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量和轴比等。学生在整理相应结果的过程中，可以进一步理解各个参数的意义以及他们之间的关联性。这些结果最终又可以和前期的天线理论学习起来，便于学生回顾，在动手与思考中加深理解，既锻炼了学生的实际操作能力，又提高了学生的理解能力，充分发挥了学生学习的主观能动性有助于教师提高教学质量。

四、结束语

在天线课程的教学过程中，笔者通过多媒体辅助、案例教学以及仿真设计等方法，成功的使学生产生了学习天线的兴趣，充分调动了他们的主观能动性，进而强化了课堂教学的效果。

参考文献：

[1]约翰克劳斯.天线[M].北京：电子工业出版社，2004.

[2]刘学观，郭辉萍.微波技术与天线[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[3]侯维娜，邵建兴.Ansoft HfSS仿真软件在天线教学实践中的应用[J].数字通信，2009，（8）.

[4]雷文太.《天线与电波传播》课程的教改实践[J].教育教学论坛，2012，（5）.

[5]钟东洲.微波技术与天线课程教学教改研究[J].中国集体经济，2010，（1）.