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无线通信电波传播及天线课程设计探究

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发布日期:2019-01-11 18:36

摘要】无线通信电波传播与天线课程是通信与信息领域中一门重要的学科基础课程,包括天线原理和电波传播两部分内容。由于课程涉及到大量的理论知识,合理规划课程内容,并提出行之有效的教学方法,能够让学生更好地理解和掌握天线和电波传播的知识,对提高课堂效率具有十分积极的推动作用。

关键词】天线;电波传播;课程设计;教学方法

随着5G通信的迅速发展,对5G通信传播过程和性能的认知变得越来越重要。整个5G通信主要包括两部分,一是通信系统产生电磁信号经发射天线辐射出去,然后再通过天线进行信号接收,实现两点之间的通信;二是电磁信号在空间传播时,会遇到建筑物、森林、山峰等障碍物,对信号的通信质量会有所影响,因此需要评估电波传播对通信质量的影响。基于以上考虑,开设无线通信电波传播与天线课程,让学生掌握基本的天线辐射原理以及电波传播特性,具有十分重要的意义[1-2]。

一、课程内容设计

首先,课程内容与课程的学时量息息相关。这里,课程内容是基于48学时进行规划和设计的。考虑到天线与电波传播理论多,如果课堂上只是一味地讲解天线辐射与电波传播的公式推导,学生很难理解。因此,在设计课程内容时,应将理论与实际结合起来,即将课堂理论教学与实验教学相融合,可以开设40学时的理论课,同时开设8学时的实验课。在学生学习理论课的同时,开设实验课,能够让学生对天线实物有一定的认知,并通过实验,对天线以及电波传播的过程和性能有深刻的理解,也可与理论课程的学习内容进行相互验证。这样,既培养了学生的动手能力,同时又加深了学生对天线和电波传播理论知识的理解,可以提高课堂效率。对于40学时的理论课,同样需要合理规划和设计。首先,与天线与电波传播相关的教材对电磁场理论讲解得都不多,有些甚至没有涉及这部分内容。因此,在讲解天线和电波传播的理论知识之前,需要花4个学时的时间讲解电磁场的基础理论知识,具体的思路是:从积分形式的Maxwell方程组出发,通过讲解旋度和散度的物理概念,得到微分形式的Maxwell方程组,然后讲解位函数的概念以及用于Maxwell方程组的求解方法,最后介绍复能流密度矢量,让学生了解电磁波在空间传播时的能量特性。天线与电波传播两部分的课时分别为18学时,天线部分主要介绍天线性能参数的物理概念以及工程常用天线的结构特点和工作原理,包括电基本振子的辐射特性、天线的电参数(方向图、增益、方向系数、方向图乘积定理等)、对称振子天线、天线阵、引向天线、对数周期天线、螺旋天线、喇叭天线以及微带天线等工程常用天线。电波传播部分主要介绍电磁波经天线辐射出去之后在不同电磁环境中的传播特性,涵盖了4种基本的电波传播模式—自由空间的电波、地面波、天波和视距传播。

二、教学方法的探讨

合理规划课程内容之后,需要思考的问题是采用何种教学方法能够提高课堂教学效率。在讲解课程内容时,一方面可以将科学研究技术应用到教学中来,是因为在科学研究领域,一些数值算法,例如时域有限差分法(FDTD)、矩量法(MOM)等全波算法能够模拟电流信号经天线的辐射过程,而抛物方程方法(PE)和弹跳射线法等高频算法能够模拟电波在大区域环境中的传播过程。因此,在讲解天线和电波传播的理论知识时,可以引入一些实际的应用场景,然后采用这些算法进行模拟,以动画的形式在课堂上演示天线的辐射过程以及电波的传播过程,可以让学生更容易理解天线辐射和电波传播的本质。另一方面,需要加强课堂管理。可以将多媒体和相应的网络教学平台(例如对分易、UMU平台等)应用到课堂教学中来,其目的是:(1)方便考勤;(2)很好地督促学生进行课前预习;(3)很方便地与学生进行互动、提问、批改作业以及课堂测试,等等。老师只需在课前将课堂所需要的文档上传到网络教学平台,然后在课堂上,在需要时让学生登录平台进行答题、测试等,平台会自动进行评分并得到统计数据,让老师能够及时得到学生对课程知识掌握程度的反馈,有效地提高课堂效率。

三、结论

无线通信电波传播与天线课程涉及到大量的物理和数学知识,采用传统的教学方法,学生很难从本质上理解和掌握天线辐射与电波传播的知识。因此,本文对48学时的无线通信电波传播与天线课程进行了课程内容规划和设计,使其知识体系逻辑性更强。另外,提出了将科学研究技术和网络教学平台应用到课程教学中,以此来提高课堂教学效率。

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.

作者:叶志红 李强 邵羽 廖希 单位:重庆邮电大学通信与信息工程学院

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