王菲
（西安交通工程学院，陕西西安，710300）
“电波传输与天线”这门课程是电子信息、通信工程等专业的基础必修课程，是一门理论性、应用性和实践性都非常强的课程[1][2]。本门课程涵盖的内容包括电磁场理论、微波传输线理论、微波网络基础以及天线理论等相关内容[3-5]。一般情况下，在课程教学过程当中，大多数情况下都是教师主要在课堂授课，并且理论概念抽象、公式推导繁杂、与工程实践结合不紧密等问题的存在使对学生普遍感觉学习困难，所以这就在一定程度上打击了学生对于学习的积极性和主动性。抛开“学”只管“教”就失去了教学的根本意义。
新工科教育培养模式主要内容包括学科交叉融合，理工结合、工工交叉、工文渗透，孕育产生交叉专业，跨院系、跨学科、跨专业培养工程人才的教育模式[6][7]。“新工科”中的“新”反映了新时代的特色，与传统工科相比更加注重未来的科学技术和产业的发展，体现交叉学科之间的融合性[8]。传统教学方法已经不能满足“新工科”背景下教学的要求，面向“新工科”背景下“电波传输与天线”教学改革研究是一个崭新的命题。
本文针对“电波传输与天线”课程出现的上述问题，将新工科教学模式引入课堂教学设计中。以“八木天线”为例，将课堂内容分割成不同环节，分析该天线在工程中参数的具体要求和指标，在此天线参数和指标的学习基础上，引出电磁波在空间中的传输理论，从而让理论知识不再枯燥和难懂。
无线通信过程如图1所示，发射机发射出来的电磁波通过发射天线辐射到空间并向四面传播出去，如果在电磁波的传播方向上放一个对称振子，那么在对称振子上就会产生感应电动势[9][10]。如果天线和接收设备是相互连接的状态，那么在接收装置的输入端就会产生一个高频电流。这样的话，此时天线的作用就是接收电磁波，于此同时将电磁波转化为高频电流。天线接收效果的优劣与电波的强弱有关，同时还和天线的方向性以及半边对称振子和接收设备的匹配性有关系。整个过程涉及到电波传输与天线课程的内容，我们会围绕整个系统来形象的对本课程进行设计。
图1 无线电通信系统图
以“八木天线”为例，分析实际工程上研究该天线性能所需要的相关电参数，就这些参数来分析微波的传输理论，从而进一步分析研究电磁波在空间当中的传输特性。
1.1 故事引出，增加趣味性
在课程的一开始先给学生们讲述关于“八木天线”的小故事，让学生们了解它的来历以及发展进程。如图2所示，八木天线的结构是非常简单的，它是由由一个有源振子、一个无源反射器和若干个无源引向器平行排列而成的端射式天线。在二十世纪20年代，由日本东北大学的八木秀次和宇田太郞两人发明了这种天线，被称为“八木宇田天线”，简称“八木天线”。但就是这样简单的天线，它的方向性确是很好的，并且比偶极子天线的增益更高[11][12]。那么这个天线在通信系统中如何接收和发送电磁波，电磁波在空间中如何传输？带着这几个问题，和学生们一起进入到本门课程的学习中。通过这样的引入，我们相信这不但会增加课程的趣味性，而且还会激发学生们的学习兴趣，同时也会带动学生们的学习动力。
图2 八木天线
在课堂上，我们可以将抽象的内容形象化，让学生理解抽象的天线时，可以用我们的耳朵和嘴巴来进行类比。我们人类和人类在进行信息交互的时候，就是用嘴巴来输出信号，然后耳朵来接收信号。其实在通信的系统当中，天线的作用和我们耳朵和嘴巴的作用都是一样的，发射端的天线就像嘴巴一样将信号发射出去，接收端天线将信号接收到，但是不同的是通信系统当中的天线既可以发送电磁波还可以接收电磁波，即就是有些天线既可以作为发射端，也可以作为接收端。
1.2 系统拆分，逐个学习
（1）天线分析
用以前的收音机或者是电视机上面的伸缩杆子来引出来即将要学习的天线，收音机要能够有效的接收到信号，我们通过拉长或伸缩，亦或是旋转收音机上的杆子来接收到信号，以此来让学生们思考，这些肯定是会影响天线的性能。那么影响天线性能的参数不只是这几个。以此来引出来我们即将在天线部分要学习的内容。
我们知道，对于一个天线的设计，我们需要根据特定环境下给定的电参数，如增益、波瓣宽度、副瓣电平、前后辐射比及阻抗带宽等，以此来确定振子数、振子间距、振子长度及半径等的初始结构参数；
从而进一步通过专业的电磁仿真软件HFSS进行仿真验证。
八木天线的工作原理：引向器略短于二分之一波长，主振子等于二分之一波长，反射器略长于二分之一波长，两振子间距四分之一波长。此时，引向器对感应信号呈”容性”，电流超前电压90°；
引向器感应的电磁波会向主振子辐射，辐射信号经过四分之一波长的路程使其滞后90°恰好抵消了前面引起的“超前”，两者相位相同，于是信号迭加，得到加强。反射器略长于二分之一波长，呈感性，电流滞后90°，再加上辐射到主振子过程中又滞后90°，两者加起来刚好差180°，起到了抵消作用。一个方向加强，一个方向削弱，便有了强方向性。发射状态作用过程亦然。如图3所示为八木天线的增益仿真图。
图3 八木天线的增益
（2）传输线分析
发射机发送出来的电磁波要被接收天线接收到，它肯定要有一个传输设备，这个设备就是传输线。传输线是类似于输送电磁波能量的设备，它是把载有需要传递的有用信号的电磁波，沿着传输线有限的空间从一端输送到另外一端的设备[14-15]。
在传输线的分析和学习上面，我们可以用平时坐火车来进行形象的说明，火车上的旅客可以认为就是电磁波，传输线好比就是火车。当车站上的乘客上车后，活动范围就被限制住了，只能在火车车内活动，此时的乘客是随着火车前进的方向向前移动，等到达目的地，乘客出站后，是完全可以自由活动的，这就像是电磁波在自由空间当中进行传播。此时的火车门就可以认为是天线。乘客可以在此上车，也可以下车。
如果要使传输线输送的能量被负载最大化的接收到，就会涉及到阻抗匹配的问题。阻抗匹配的最重要的目的就是要求负载阻抗和传输线的特性阻抗要相等。但是如果负载阻抗与传输线的特性阻抗存在不相等的情况，那么一般情况下就需要我们在传输线的输出端和负载之间接入一个阻抗变换器，这样做的目的就会使后者的输入阻抗而与传输线的特性阻抗相等，这就是我们一直说的匹配问题。我们实际在电路设计和调试的过程中，通常会借助网络分析仪和史密斯圆图工具，这样就可以达到事半功倍的功效。
图4 Smith圆图
（3）电磁波传播特性分析
这一部分的内容，首先必须要提的人物就是麦克斯韦，通过给学生们讲解麦克斯韦的人生历程，以及在整理前人的理论和实验结论得出麦克斯韦方程的整个艰辛路程，让学生对麦克斯韦方程感到不那么生硬，带有一部分感情色彩。麦克斯韦的电磁场理论使人类通信发生了革命性的突破，为无线通信的应用彻底改变了人类的通信方式，其中最重要的两点是：（1）在移动通信方面，摆脱了线路的束缚，真正实现了无处不在的通信；
（2）在太空通信方面，为人类实现太空探索提供了通信手段。式（1）为麦克斯韦方程的微分形式和积分形式[16]。
我们知道，发射机发射出来的信号经过传输线到达发射天线，发射天线把信号传输发送出去，信号携带在电磁波上进行传输，电磁波在传输的时候，由电流的变化产生磁场，磁场的变化产生电场，再由变化的电场产生磁场……，如此循环下去，指导衰减完。电场和磁场就是这样相互垂直的向前传递，就像一条索练一样延伸到无穷远。
电磁波和声波以及光波一样，可以在空间中传播，也可以再真空中或者水中传播。一般情况下，无线传输的距离是远远大于在作为馈线的导播系统内的传输距离的。电磁波在传输的过程中，是通过电场能量和磁场能量之间的不断转换向前传播的，如果电磁波在真空中传输的时候，就可以无损耗的向前传播，不需要介质或所谓的以太物质作为其传播媒质。所以我们在这一部分学习的时候，会介绍波在不同介质中传播特性。如图5所示为波在空间当中传输特性。
图5 电磁波传输特性
本文将新工科教学模式应用到《电波传输与天线》课程中，以“八木天线”教学设计为引导，将新工科模式有效融入到教学过程当中。在自由和谐的课堂情境中，教师采用适当的教学方法引导鼓励学生参与到教学环节，学生通过深入地思考讨论开展交流互动，从而最终实现良好的教学目标。
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