無線通信電波傳播及天線課程設計探究

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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域中一門重要的學科基礎課程，包括天線原理和電波傳播兩部分內容。由于課程涉及到大量的理論知識，合理規劃課程內容，并提出行之有效的教學方法，能夠讓學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。

【關鍵詞】天線;電波傳播;課程設計;教學方法

隨著5G通信的迅速發展，對5G通信傳播過程和性能的認知變得越來越重要。整個5G通信主要包括兩部分，一是通信系統產生電磁信號經發射天線輻射出去，然后再通過天線進行信號接收，實現兩點之間的通信；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，對信號的通信質量會有所影響，因此需要評估電波傳播對通信質量的影響。基于以上考慮，開設無線通信電波傳播與天線課程，讓學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、課程內容設計

首先，課程內容與課程的學時量息息相關。這里，課程內容是基于48學時進行規劃和設計的。考慮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，學生很難理解。因此，在設計課程內容時，應將理論與實際結合起來，即將課堂理論教學與實驗教學相融合，可以開設40學時的理論課，同時開設8學時的實驗課。在學生學習理論課的同時，開設實驗課，能夠讓學生對天線實物有一定的認知，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習內容進行相互驗證。這樣，既培養了學生的動手能力，同時又加深了學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學時的理論課，同樣需要合理規劃和設計。首先，與天線與電波傳播相關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個學時的時間講解電磁場的基礎理論知識，具體的思路是：從積分形式的Maxwell方程組出發，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，然后講解位函數的概念以及用于Maxwell方程組的求解方法，最后介紹復能流密度矢量，讓學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學時，天線部分主要介紹天線性能參數的物理概念以及工程常用天線的結構特點和工作原理，包括電基本振子的輻射特性、天線的電參數（方向圖、增益、方向系數、方向圖乘積定理等）、對稱振子天線、天線陣、引向天線、對數周期天線、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天線輻射出去之后在不同電磁環境中的傳播特性，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、教學方法的探討

合理規劃課程內容之后，需要思考的問題是采用何種教學方法能夠提高課堂教學效率。在講解課程內容時，一方面可以將科學研究技術應用到教學中來，是因為在科學研究領域，一些數值算法，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域環境中的傳播過程。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用場景，然后采用這些算法進行模擬，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，可以讓學生更容易理解天線輻射和電波傳播的本質。另一方面，需要加強課堂管理。可以將多媒體和相應的網絡教學平臺（例如對分易、UMU平臺等）應用到課堂教學中來，其目的是：（1）方便考勤；（2）很好地督促學生進行課前預習；（3）很方便地與學生進行互動、提問、批改作業以及課堂測試，等等。老師只需在課前將課堂所需要的文檔上傳到網絡教學平臺，然后在課堂上，在需要時讓學生登錄平臺進行答題、測試等，平臺會自動進行評分并得到統計數據，讓老師能夠及時得到學生對課程知識掌握程度的反饋，有效地提高課堂效率。

三、結論

無線通信電波傳播與天線課程涉及到大量的物理和數學知識，采用傳統的教學方法，學生很難從本質上理解和掌握天線輻射與電波傳播的知識。因此，本文對48學時的無線通信電波傳播與天線課程進行了課程內容規劃和設計，使其知識體系邏輯性更強。另外，提出了將科學研究技術和網絡教學平臺應用到課程教學中，以此來提高課堂教學效率。

參考文獻

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

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

作者:葉志紅 李強 邵羽 廖希 單位:重慶郵電大學通信與信息工程學院