基于LED光立方的电磁波极化演示

张娜 刘娜 杨琳 杨化俊

摘 要：针对“电磁场与电磁波”课程教学难度大的现状，制订了一套计算机辅助教学实施方案。尤其电磁波的传输与极化看不见摸不着，学生难以理解该部分内容，因此，根据均匀平面电磁波的极化方式，在MATLAB中编程以三维立体动画的形式演示电磁波的线极化、圆极化与椭圆极化;并以STM32作为主控芯片，采用4 096个LED灯组成一个16*16*16的三维立方体LED光立方教具，使抽象的概念变得可视而具体，使教学过程变得生动形象并富有趣味，从而利于学生综合素质的培养。

关键词：电磁场与电磁波;极化;LED;光立方

中图分类号：G643

文献标志码：A

文章编号：1007-757X（2020）11-0074-03

Abstract：In view of the current situation that the teaching of “electromagnetic field and electromagnetic wave” is difficult， a set of computer-aided teaching implementationschemes are developed.In particular， the transmission and polarization of electromagnetic wave are invisible， students are difficult to understand this part. Hence， according to the polarization mode of uniform plane electromagnetic wave， the paper programs by using MATLAB to demonstrate the linear polarization， circular polarization and elliptical polarization of electromagnetic wave in the form of three-dimensional animation. STM32 is used as the main control chip， 4 096 LED lights are used to form a 16×16×16 three-dimensional cube LED light cabe to aid the classroom teaching， which makes the abstract concept visible and concrete， makes the teaching process vivid and interesting. The reform is conducive to the cultivation of students comprehensive quality.

Key words：electromagnetic field and electromagnetic wave;polarization;LED;light cube

0 引言

在高校電子信息工程、通信工程、电磁场与微波技术等工科专业中，电磁场与电磁波课程是一门重要的专业基础课程之一[1]。由于该课程不仅理论性强，涵盖内容多，知识跨度大，具有大量繁杂的数学公式推导，而且电磁场与电磁波又看不见、摸不着，直观性很差，因此使得该课程成为相对较难的课程之一。学生在学习该课程时往往会感到枯燥乏味，失去学习兴趣，进而影响对所学知识的掌握。为了提高学生的学习兴趣，促使大家很好地掌握本课程的知识，并能将所学知识应用到实际工程中，提高应用知识解决实际问题的能力。将工程实践引入实际课程中，在理论课堂上通过实践项目，将抽象的知识点具体化，便于学生理解，掌握课程课堂教学内容，在实践课堂中，学生进行实践，“学”为“做”提供指导，“做”为“学”提供验证，实现“学”与“做”的交叉互动。

电磁波的极化是“电磁场与电磁波”课程中的一个重要内容，极化在无线电的发射[2]、雷达目标识别[3]与卫星通信[4]等方面有着及其重要的作用。采用MATLAB软件对电磁波的极化特性进行仿真，通过形象直观的三维立体动画的形式展示电磁波的线极化、圆极化与椭圆极化。并以STM32作为主控芯片，采用4096个LED灯组成一个16*16*16的三维立方体LED光立方教具，并在课堂教学中演示电磁波的极化，可以比较直观的观察电磁波极化的各个时刻的状态。

1 电磁波极化的原理

1.1 极化的定义

波的极化：指空间某固定位置处电场强度矢量随时间变化的特性。用电场强度矢量终端端点在空间形成的轨迹表示[5-7]。

1.2 极化的分类

沿+z方向传播的均匀平面波，其电场可表示如式（1）。

如果电波传播时，电场矢量的终端随时间变化在空间描出轨迹为一直线，则称为线极化波;如果传播时电场矢量的尖端在空间描出的轨迹为一个圆，则称为圆极化波;如果传播时电场矢量尖端在空间描出的轨迹为一椭圆，则为椭圆极化波[8]。

1.2.1 椭圆极化

式（1）中，设z=0，得式（2）、式（3）。

椭圆极化波形图，如图1、图2所示：

1.2.2 线极化

电场仅在一个方向振动，即电场强度矢量端点的轨迹是一条直线。

由式（7）和式（8）可以看出：Ex和Ey同相位或反相位时，合成场表征直线极化。线极化的三维动态，如图3所示。

1.2.3 圆极化

由此可以看出：式（9）为圆方程式。Ex和Ey相位相差π/2且振幅相等时，合成场表征圆极化。

合成波电场矢量终端轨迹为圆，且电场矢量旋转方向与电磁波传播方向成右手螺旋关系—右旋圆极化波[9-10]，如图4所示。

合成波电场矢量终端轨迹为圆，且电场矢量旋转方向与电磁波传播方向成左手螺旋关系—左旋圆极化波[9-10]，如图5所示。

2 电磁波极化在MATLAB中的实现

2.1 编写程序

根据圆极化的特性，在MATLAB中编写程序实现，其主要程序如下。

omiga=2*pi/36;

phi_x=0;

phi_y=pi/2;

Exm=1;

Eym=1;

2.2 运行结果

线极化演示图，如图6所示。

由图6可以看出：在xoy平面观察，其电场矢量终端随时间变化在空间的轨迹为一直线;圆极化演示图，如图7所示。

椭圆极化演示图，如图8所示。

由图7可以看出：在xoy平面观察，其电场矢量终端随时间变化在空间的轨迹为圆;由图8可以看出：在xoy平面观察，其电场矢量终端随时间变化在空间的轨迹为椭圆。

3 基于STM32的LED光立方教具

本系统以STM32为控制核心，该芯片功耗低、稳定性好和性能高等优点[11-12]，光立方显示模块由4 096个LED组成了一个16*16*16的灯阵，如图9所示。

软件部分采用乐涛开发工作室的3D16光立方动画仿真软件，该软件极大的简化了程序设计，缩短了程序编写的时间。该光立方演示教具展示了电磁波的各种特性，这不仅能强烈吸引学生的注意力，从感官上给学生真实的感受和强有力的视觉冲击，而且丰富了他们的想象和思考，从而激发学生学习该门课程理论的兴趣。

4 总结

根据均匀平面电磁波的极化方式，在MATLAB中编程以三维立体动画的形式展示电磁波的线极化、圆极化与椭圆极化，并以STM32为控制核心，由4 096个LED组成一个16*16*16的光立方显示教具。将其结论应用于课堂教学中，使抽象的概念变得可视而具体，使教学过程变得生动形象并富有趣味，从而利于学生综合素质的培养。

参考文献

[1] 杨琳，刘皎，张娜，等. “四个一流”建设背景下地方高校教学改革与实践——以《电磁场与电磁波》课程为例[J]. 教学研究，2018，41（4）：74-79.

[2] 张建华，黄治. 电磁波极化的应用[J]. 大学物理，2012，31（3）：52-54.

[3] 庄钊文，肖顺平，王雪松. 雷达极化信息处理及其应用[M]. 北京：国防工业出版社，1999.

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[10] 蒿连亮. 宽带圆极化整流天线研究[D]. 成都：电子科技大学，2014.

[11] 毛玉星，刘翔宇，王唯. 一种基于STM32单片机的应用实验平台设计[J]. 工業和信息化教育，2019（8）：63-68.

[12] 徐宇宝，林华，余平. 基于STM32的多级LED调控器设计[J]. 洛阳理工学院学报（自然科学版），2019，29（2）：55-60.

（收稿日期：2019.11.07）