《天线与电波传播》课程教学方法改进的探讨

叶志红 李强 邵羽 廖希

摘要：天线与电波传播课程涉及到大量的电磁场理论，采用传统的满堂灌的授课方式，学生只会死记硬背而无法理解天线与电波传播的实际物理意义。本文将科学研究技术引用到课程教学中来，将晦涩的电磁场公式转变为可视化的动画进行演示，更容易让学生接收，从而提高课堂效率，让学生从本质上理解和掌握天线和电波传播的物理知识。

关键词：天线与电波传播；电磁场理论；科学研究；动画演示

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）11-0159-02

随着4G和5G通信的发展，使得人们对于通信质量的要求越来越高。天线是实现通信的重要部件，其将发射机产生的电磁信号辐射出去，而在接收端需要接收信号送到接收机进行信号处理。因此，天线性能的优劣会直接影响到通信的质量。另外，信号从天线辐射出去之后，会经过大区域的电波传播过程，而不同的环境对电波传播的影响是不一样的，因此，电波传播过程也将直接影响到通信的质量。由此，对于通信与信息工程专业的学生，开设天线与电波传播课程显得十分必要[1-3]。而学习天线与电波传播课程，需要用到大量的电磁场理论以及数学计算公式，理解起来比较困难。同时，天线类型多样，例如半波振子、天线阵、引向天线、对数周期天线、喇叭天线、微带天线等，而每种天线的辐射机理和特性都不一样。电波传播根据环境的不同，又可分为自由空间电波传播、地面波传播、天波传播和视距传播等，而每种传播路径对电波影响的物理过程也都是不一样的。因此，如何讲解天线辐射与电波传播的物理过程和内涵，让学生更容易理解和吸收，具有十分重要的探讨意义。

传统的教学方法多以满堂灌为主，而对于电磁场理论，老师讲解的推导过程再详细，学生也很难完全吸收和掌握，导致课堂教学效率低下。因此，本文将科学研究技术应用到课堂教学中来，通过对天线辐射和电波传播过程采用科学研究技术进行模拟并实现可视化，让学生从天线设计、天线辐射到电波传播过程有很直观的认识，从而更好地理解天线和电波传播的物理内涵，提高课堂教学效率。

一、传统的教学模式

对于天线与电波传播这样的理论课，传统教学多是采用满堂灌的方式。然而课程涉及到大量的理论公式，如果只是一味地讲解推导过程，学生很难理解。这里以电流元辐射的理论推导为例来加以说明。

电流元辐射的理论推导过程如图1所示，此过程涉及到Maxwell方程组、标量位、矢量位和位函数方程等电磁场公式和理论。在求解位函数方程时需要用到高等数学求解偏微分方程组的知识，而在由矢量磁位A计算电场E和磁场H时，需要进行旋度、散度和梯度运算，然后根据波长与距离满足的关系，分析天线近场区和远场区的电磁特性。

二、科学研究引入课堂教学

通过上述分析，可以明显看出，只是讲解理论推导，学生难以理解。在科学研究领域，可以采用相应的数值算法对天线辐射和电波传播的物理过程进行模拟，例如时域有限差分（FDTD）方法、抛物方程（PE）方法，等等。FDTD方法是一种全波算法，能够从时域的角度模拟电磁波的辐射、耦合以及散射等物理现象。因此，采用FDTD方法对各类天线进行建模，并模拟得到电磁波经天线辐射之后在空间传播时的电磁场分布，以及天线的方向图、增益等电参数。设置一观察面，将该观察面在多个时刻点上的空间电场分布保存为png图片格式文件，然后结合相应的图片编辑软件，将多个图片做成动画，即可在课堂上演示天线的辐射过程。下面以对称振子为例，给出采用FDTD方法对天线的建模和仿真过程。

由图2可以看出，采用FDTD方法能够很好地建立天线的物理模型，并仿真得到天线近场区的电场分布情况以及朝远场区方向辐射的传播过程，可以清晰地看到天线向远场区传播时的球面波特性。然后，FDTD方法可以根据天线远场区的电磁场分布求解得到天线的方向图、增益等电参数。因此，若在讲解天线辐射的理论推导时，引入上述天线辐射的动画演示，势必会让学生能够更好地理解理论推导过程，提高课堂效率。

对于其他类型的天线，同样可以采用上述方法进行建模和仿真，只是对于不同类型的天线，建模过程和仿真结果会有所不同。

对于电波传播问题，同样可以采用相应的数值方法进行建模和仿真。与天线辐射不同的是，电波传播涉及到的空间区域比较大，无法采用FDTD方法进行建模和模拟，是因为FDTD方法需要对模型进行网格剖分，而对于大区域而言，建模所需的网格量将会非常巨大，单台计算机无法承受。因此，需采用抛物方程方法或者大规模并行FDTD算法对大区域的电波传播问题进行建模。抛物方程方法和大规模并行FDTD算法是本人已有的研究成果，因此，可以很方便地用来对电波传播问题进行建模和仿真。需要注意的是，对于不同的电波传播模式，由于传播路径不同，建模方法亦不同，具体的建模过程不在本文中进行详细叙述。下面以电波在建筑物室内的传播过程为例，来说明科学研究对教学方法改进起到的重要作用。

图3给出了建筑物的物理模型以及仿真得到的建筑物内外空间的电磁场分布，由图可以清晰地看到电波经建筑物的窗户进入到室内，并以近似球面波的形式向前传播，然后遇到建筑物室内的墙体发生反射、绕射等物理现象。通过动画的形式演示电波传播的过程，形象生动，能够让学生更容易理解和接收。

三、结论

天线与电波传播课程采用传统的满堂灌的教学方法，无法让学生从本质上理解和掌握天线与电波传播理论。本文提出将科学研究技术应用到课程教学，采用FDTD方法、抛物方程方法以及大规模并行算法模拟天线辐射与电波传播的物理过程，将难以理解的电磁场理论通过动画的形式进行演示，使得學生更容易理解和掌握天线传播和电波传播的物理内涵，从而提高课堂教学效率。

参考文献：

[1]王平.《电波传播与天线》课程教学改革探索[J].素质教育论坛，2015，（14）：2-3.

[2]孙豪.《天线与电波传播》课程教学实践与思考[J].科技信息，2011，（25）：145-146.

[3]周彩霞，吴振森，弓树宏.关于电波传播与天线专业的实践教学[J].西安邮电学院学报，2011，（12）：103-104.