电磁波与天线课程实验教学的探索与研究

薛红 曹文权 朱卫刚 邵尉

陆军工程大学通信工程学院 南京 210007

0 引言

电磁波与天线课程是电子信息、电气工程、通信工程类等专业本科生必修的专业基础课程，属于理论与实践紧密结合的课程。本课程的特点是体系完整、理论性强、概念抽象、公式繁多。当前，院校精品课程建设对该课程提出新要求，需要灵活运用各种资源，多角度全方位设计并梳理教学内容，改革传统的教学模式，注重学生综合能力的培养，需要在工程背景和实际应用等方面做加法，进一步提升教学效果。实验教学是课程的重要组成部分，与理论教学相辅相成，其作用是使学生能够更好地理解和掌握电磁场与电磁波、天线与电波传播的基本概念和基础理论，课程建设中对实验学时进行增加，同时配合理论内容进行改造，目的就是培养学生的电磁工程实践能力，锻炼学生的科学思维，激发创新意识，培育创新精神，为其今后深入学习、岗位任职打下良好的基础[1-3]。

1 研究现状

根据课程建设的要求，紧贴天馈系统的工程应用，课程内容主要包括电磁场和电磁波基础理论、传输线和天线技术应用、实际电波传播模型三个模块，围绕强化基础理论、突出工程应用、注重实践环节，系统地设计教学内容和实验环节，知识内容主要有电磁场理论、电磁波的传播反射与折射、传输线理论与微波传输线、天线技术和电波传播。

电磁场理论部分为课程学习准备了必要的数学基础和物理规律，相对来说比较抽象，特别是电磁场基本方程。如何将这部分场理论的内容和后续理论与应用更好地融合，需要进行总体设计。而传输线、天线部分、电波传播部分，与实际应用的贴合度比较高，学生比较容易理解，实际的传输线与天线有很多种类型，不可能在课堂上一一详述，结合相关专业背景，突出重点，按照类型及其作用，由一及多，由点到面，由面到体，随着维度的增加，内容也体现了高阶性。主要目的是培养学生把握实质、提炼思路的科学思维方法。

课程理论内容之外，实验教学也是必不可少的，实验内容要紧贴课程教学主线，实验与理论相结合，将抽象的问题形象化和具体化，复杂的问题简单化，通过可视化实验进一步提升教学效果。课程改造前，实验学时比较少，而且都是验证性实验，无法满足精品课程教学需要。目前，精品课程建设中，“围绕如何开展电磁波天线课程的实验教学，如何恰到好处地将理论与实验相结合，如何通过实验环节增强教学效果，提升学员能力”等问题进行研究并相应实施，是非常有意义的。实验内容的设置以及考核评价标准，应提倡采用“多元化”的体制，其目的是全面反映学生真实水平，激发学生学习的主动性和积极性，全面考核学生的能力和素质[4-8]。

2 实验架构

电磁波教学综合实验系统是电磁波与天线课程配套的实验系统，围绕电磁场、电磁波、传输线、天线技术、电波传播等模块中的重要知识点，融验证性、设计性、综合性和创新性于一体，能够帮助学生透彻地了解电磁场、电磁波、传输线、电偶极子、应用天线的基本结构及其特征等重要知识点，深刻理解法拉第电磁感应定律以及电磁波辐射的原理，掌握电磁波测量技术原理和方法，建立电磁波的形象思维，加深对电磁波产生、发射、传输、接收过程中重要知识点的认识与理解，通过学生自主动手制作振子感应器、振子接收天线、定向天线等，培养学生的应用能力和创新能力。

实验内容分为基础实验和拓展实验，基础实验主要包括电磁场、电磁波、微波传输线、应用天线的验证与测试实验，这部分实验使学生能够从现象中感受电磁场、电磁波的存在，然后通过测试了解电磁场、电磁波的各种特性和规律，深刻理解电磁辐射、电磁波传输、电磁波反射、场强的原理，掌握电磁波测量技术原理和方法，利用可视化教学使电磁场与电磁波从无形变为有形，从抽象变形象。

拓展实验主要包括天线的测量、设计实验，学生通过测试天线的各项电参数，掌握基本的测试方法，结合理论动手设计并制作天线，让学生参与其中，提高学生的动手能力。通过实验的完整体验，学生可以在知识理解、实物操作、创新能力、动手能力等方面获得很大的提高，为将来更进一步的学习、研究或者从事相关工作打下基础。

本课程配套的实验系统提供一种测量天线方向图、天线增益、天线极化等特性的测试平台，包含发射系统、接收系统、电机控制系统、天线转动平台、数据处理及终端显示系统，集多种测试功能于一体，通过对不同天线特性的测试，加深学生对天线方向图的感性认识，对增益等参数的定量计算，学生可用该系统设计各种天线进行天线特性测试，掌握并加深对天线特性的认识。

如图1 所示，系统中的四极化天线是一种可重构极化的天线，根据接入端口不同，可以分别发射垂直极化、水平极化、左旋圆极化、右旋圆极化的电磁波，其工作频率为138 ～4 400 MHz，8.5 ～10.5 GHz。四极化天线所在的位置可以换上其他的线天线和喇叭天线，其中线天线的工作频率范围可为700 ～1 200 MHz，喇叭天线的工作频率范围为8.5 ～10.5 GHz。云台组件包含方位角云台、方位角转盘、俯仰角云台，可以分别在水平面旋转360°，竖直面旋转360°，测量精度为1°。系统右端的反射板为金属板，可以反射电磁波，也可以屏蔽电磁波。系统中有导轨，导轨上装有滑块，用于滑动云台和反射板。当按下电磁波发射开关后，经过放大的电磁波，从射频放大输出端口输出。数据输入端口可以将接收到的信号强度传入实验系统，拓展实验输出端口可以输出未经放大过的信号。

图1 电磁波与天线综合实验系统

3 教学实施

教学实施过程中，基于基础实验和拓展实验，重新构建实验模块框架，梳理实验内容，创新教学方法。从宏观上把握教学活动整体及各要素之间的关系和功能，在教学实施过程中要突出其可操作性和有序性，主要从以下几个方面出发。

3.1 定性分析与定量计算

实验中使用振子感应器和振子接收天线进行对比分析。使用振子感应器进行定性分析，采用振子接收天线进行定量计算。以电磁波波长的测量为例来说明，发射部分选择四极化天线的垂直极化方式，将振子感应器固定在云台连接块上，再整体放入云台支臂里，保持振子感应器竖直放置，云台支臂与导轨平行，固定云台支臂，最后将云台移动至30 cm位置。将反射板放入支撑杆，保持反射板与四极化天线相对，然后旋紧固定螺钉，并将其移动至导轨最右侧。进入辐射特性实验界面，将发射频率设置为1 100 MHz，并发射电磁波。一直保持发射状态，从远到近移动反射板，观察振子感应器明暗变化情况。以感应器灯泡明暗度判断波腹（波节）的出现。移动反射板，观察第一次感应器灯泡最亮，记录金属板位置，观察第一次灯泡最暗，记录金属板位置，根据波腹和波节之间的距离，计算出电磁波的波长。然后将振子感应器取下，换上振子接收天线，并连接电缆。保持振子接收天线竖直状态，云台支臂与导轨平行，将云台移动至19 cm 位置，反射板移动至30 cm 位置。将发射频率设置为900 MHz，保持发射状态，同时采集数据。获取反射板在30 cm 处时接收天线接收到的强度，并在直角坐标系中绘点，按照采样点距设置要求，将反射板从30 cm 处移动至31 cm 处，获取反射板在31 cm 处天线接收到的强度，同时绘点，并与30 cm 处的点连线。根据上述操作，将反射板从30 cm 向右侧移动。观察绘制的数据曲线，获取波腹、波节的位置，计算电磁波的波长。

3.2 振子天线制作

用信号发生器作为发射源，通过发射天线向空间辐射电磁波。如果振子感应器置于电磁波中，就能在感应器的导体上感应出高频电流，接收感应器离发射天线越近，电磁波功率越强，感应电动势越大。如果用微小功率白炽灯泡接入感应器电路板适合的馈电点，使感应器电路板和白炽灯构成一个完整感应器电路器件，将该器件置放于空间电磁波中，当感应器电路器件与空间电磁波波长参数匹配时，就能够耦合接收到空间电磁波能量，当耦合到的能量足够时，就可使白炽灯发光。感应器电路板与白炽灯、金属导线，共同构成一个完整的电磁感应装置，如图2 所示。

图2 振子感应器电路板

将振子感应器替换为振子接收天线，可以更精确地测量制作的天线。接收天线和感应器形状一样，按照制作感应器的方式，将漆包线安装后形成新的接收天线。将N 型转接头连接面板的射频输入接口，将数据接收电缆SMA 接口端与此N 型转接头连接，再将数据接收电缆与制作的接收天线连接。将接收天线固定在云台连接块上，再将这一整体放入云台支臂里，保持制作的接收天线是竖直放置，云台支臂与导轨平行，然后固定云台支臂，将云台移动至20 cm 位置。保持按下发射按钮，将感应器电路板缓慢靠近发射天线，然后再远离发射天线，观察场强检测实验界面表盘读数以及指针偏转，并记录天线处于三个不同位置时表盘显示的数据。

3.3 定向天线制作

设计一个带有刻度的塑料尺连接件，如图3 所示。附有几个长方形的塑料滑块，用塑料螺丝固定金属杆或Φ1 mm 的漆包线，可以将有源振子和无源振子固定在塑料滑块上，再安装在塑料尺的开孔上，振子的间距便可以自由调节。三元引向器天线设计步骤：首先选定实验频率，然后按半波长缩短5%的长度制作有源振子，将有源振子作为接收天线，调整长度，使接收值最大。用感应器固定螺丝穿过有源振子和塑料尺的缝隙，固定在云台连接块上。按有源振子的实际长度，再增加10%的长度制作无源振子，作为反射器，长度还可以精确调整。反射器距离有源振子（0.1 ～0.5）λ，用塑料尺连接件组合安装成带有反射器的二元引向天线。最后将制作好的三元引向器天线安装在云台支臂上，保持反射器在有源振子之后，塑料尺方向与导轨平行，此时云台支臂与导轨垂直，然后固定云台支臂。

图3 三元引向天线

3.4 引向天线的方向图测量

保持发射状态，进行数据采集。获取引向天线收到的强度，实验界面会在极坐标0°处绘制圆点，距离圆心的距离越远代表接收到的强度越强。按照采样点距设置要求，用云台转盘将引向天线从与导轨平行旋转5°到偏离导轨方向5°，采集引向天线偏离导轨方向5°时天线接收到的强度。将引向天线旋转360°，根据角度和电压值，记录数据，将最大的电压值作为基准值，以基准值计算其他角度电压与基准值的比值，按照比值的方式将数据画入极坐标图中。根据公式计算天线的增益。改变三元引向器中反射器和有源振子、有源振子和引向器的相对位置，再次进行实验。测量新的三元引向器的方向图和增益。

4 结束语

依据精品课程建设和课程教学大纲的要求，以需求为牵引，转变传统的课程实验教学设置观念，反推教学目标和教学模型，按照需求、目标、内容、课堂、需求的路径重新构建实验体系，形成闭环。结合课程相应的理论知识点，从工程应用层面梳理实验内容，结合通信系统中的天馈系统部分，针对天线技术、微波技术、电波传播等模块，增加工程背景和工程应用，融入可视化实验系统，变抽象为形象，化复杂为简单，方便学生理解和掌握，有效提升实验教学内容的含金量，进一步提升教学效果。从目前的教学实施过程来看，可以达到预期目标。