無線通信電波傳播及天線課程設(shè)計探究

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【摘要】無線通信電波傳播與天線課程是通信與信息領(lǐng)域中一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課程，包括天線原理和電波傳播兩部分內(nèi)容。由于課程涉及到大量的理論知識，合理規(guī)劃課程內(nèi)容，并提出行之有效的教學(xué)方法，能夠讓學(xué)生更好地理解和掌握天線和電波傳播的知識，對提高課堂效率具有十分積極的推動作用。

【關(guān)鍵詞】天線;電波傳播;課程設(shè)計;教學(xué)方法

隨著5G通信的迅速發(fā)展，對5G通信傳播過程和性能的認(rèn)知變得越來越重要。整個5G通信主要包括兩部分，一是通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁信號經(jīng)發(fā)射天線輻射出去，然后再通過天線進(jìn)行信號接收，實現(xiàn)兩點之間的通信；二是電磁信號在空間傳播時，會遇到建筑物、森林、山峰等障礙物，對信號的通信質(zhì)量會有所影響，因此需要評估電波傳播對通信質(zhì)量的影響?；谝陨峡紤]，開設(shè)無線通信電波傳播與天線課程，讓學(xué)生掌握基本的天線輻射原理以及電波傳播特性，具有十分重要的意義[1-2]。

一、課程內(nèi)容設(shè)計

首先，課程內(nèi)容與課程的學(xué)時量息息相關(guān)。這里，課程內(nèi)容是基于48學(xué)時進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計的?？紤]到天線與電波傳播理論多，如果課堂上只是一味地講解天線輻射與電波傳播的公式推導(dǎo)，學(xué)生很難理解。因此，在設(shè)計課程內(nèi)容時，應(yīng)將理論與實際結(jié)合起來，即將課堂理論教學(xué)與實驗教學(xué)相融合，可以開設(shè)40學(xué)時的理論課，同時開設(shè)8學(xué)時的實驗課。在學(xué)生學(xué)習(xí)理論課的同時，開設(shè)實驗課，能夠讓學(xué)生對天線實物有一定的認(rèn)知，并通過實驗，對天線以及電波傳播的過程和性能有深刻的理解，也可與理論課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行相互驗證。這樣，既培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力，同時又加深了學(xué)生對天線和電波傳播理論知識的理解，可以提高課堂效率。對于40學(xué)時的理論課，同樣需要合理規(guī)劃和設(shè)計。首先，與天線與電波傳播相關(guān)的教材對電磁場理論講解得都不多，有些甚至沒有涉及這部分內(nèi)容。因此，在講解天線和電波傳播的理論知識之前，需要花4個學(xué)時的時間講解電磁場的基礎(chǔ)理論知識，具體的思路是：從積分形式的Maxwell方程組出發(fā)，通過講解旋度和散度的物理概念，得到微分形式的Maxwell方程組，然后講解位函數(shù)的概念以及用于Maxwell方程組的求解方法，最后介紹復(fù)能流密度矢量，讓學(xué)生了解電磁波在空間傳播時的能量特性。天線與電波傳播兩部分的課時分別為18學(xué)時，天線部分主要介紹天線性能參數(shù)的物理概念以及工程常用天線的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，包括電基本振子的輻射特性、天線的電參數(shù)（方向圖、增益、方向系數(shù)、方向圖乘積定理等）、對稱振子天線、天線陣、引向天線、對數(shù)周期天線、螺旋天線、喇叭天線以及微帶天線等工程常用天線。電波傳播部分主要介紹電磁波經(jīng)天線輻射出去之后在不同電磁環(huán)境中的傳播特性，涵蓋了4種基本的電波傳播模式—自由空間的電波、地面波、天波和視距傳播。

二、教學(xué)方法的探討

合理規(guī)劃課程內(nèi)容之后，需要思考的問題是采用何種教學(xué)方法能夠提高課堂教學(xué)效率。在講解課程內(nèi)容時，一方面可以將科學(xué)研究技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中來，是因為在科學(xué)研究領(lǐng)域，一些數(shù)值算法，例如時域有限差分法（FDTD）、矩量法（MOM）等全波算法能夠模擬電流信號經(jīng)天線的輻射過程，而拋物方程方法（PE）和彈跳射線法等高頻算法能夠模擬電波在大區(qū)域環(huán)境中的傳播過程。因此，在講解天線和電波傳播的理論知識時，可以引入一些實際的應(yīng)用場景，然后采用這些算法進(jìn)行模擬，以動畫的形式在課堂上演示天線的輻射過程以及電波的傳播過程，可以讓學(xué)生更容易理解天線輻射和電波傳播的本質(zhì)。另一方面，需要加強課堂管理?？梢詫⒍嗝襟w和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺（例如對分易、UMU平臺等）應(yīng)用到課堂教學(xué)中來，其目的是：（1）方便考勤；（2）很好地督促學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)；（3）很方便地與學(xué)生進(jìn)行互動、提問、批改作業(yè)以及課堂測試，等等。老師只需在課前將課堂所需要的文檔上傳到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，然后在課堂上，在需要時讓學(xué)生登錄平臺進(jìn)行答題、測試等，平臺會自動進(jìn)行評分并得到統(tǒng)計數(shù)據(jù)，讓老師能夠及時得到學(xué)生對課程知識掌握程度的反饋，有效地提高課堂效率。

三、結(jié)論

無線通信電波傳播與天線課程涉及到大量的物理和數(shù)學(xué)知識，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，學(xué)生很難從本質(zhì)上理解和掌握天線輻射與電波傳播的知識。因此，本文對48學(xué)時的無線通信電波傳播與天線課程進(jìn)行了課程內(nèi)容規(guī)劃和設(shè)計，使其知識體系邏輯性更強。另外，提出了將科學(xué)研究技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺應(yīng)用到課程教學(xué)中，以此來提高課堂教學(xué)效率。

參考文獻(xiàn)

[1]王平.《電波傳播與天線》課程教學(xué)改革探索[J].素質(zhì)教育論壇，2015，14:2-3.

[2]孫豪.《天線與電波傳播》課程教學(xué)實踐與思考[J].科技信息，2011，25:145-146.

作者:葉志紅 李強 邵羽 廖希 單位:重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院