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薛红 李平辉 赵妍卉 刘涵
摘 要 本文针对“电磁波与天线”课程中的电磁波极化进行了教学探讨，以问题驱动式教学法进行了研究。教学过程中贯彻“以学生为中心”的指导思想，针对具体难点，将理论研究和实践仿真紧密结合。学生在突破难点的同时能够增强学习兴趣，提高积极性，取得良好的教学效果。
关键词 电磁波 极化 MATLAB
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.07.054
The Teaching Discussion of Electromagnetic Wave Polarization in
Electromagnetic Wave and Antenna Course
XUE Hong， LI Pinghui， ZHAO Yanhui， LIU Han
（College of Communication Engineering， PLA University of Science and Technology， Nanjing， Jiangsu 210007）
Abstract In this paper， the teaching discussion of electromagnetic wave polarization in the course of "electromagnetic wave and antenna" is carried out， the problem driven method is studied. In the course of teaching， the guiding thoughts of "students centered" are carried out， aiming at specific difficulties ，the theoretical research and practical simulation are closely combined. Students can enhance their interest， improve their enthusiasm and achieve good teaching results.
Keywords Electromagnetic compatibility； Spectrum Management； MATLAB
0 前言
“电磁波与天线”作为通信、电子、系统和电气工程等专业的一门专业基础课程，在各相关专业基础课与专业课之间起到桥梁衔接作用。本课程包含电磁场理论、天线技术和电波传播概论三方面内容，学生需要对电磁场和电磁波有较完整深入的理解，学会用场的观点分析和解决电磁场问题，掌握天线技术的基础理论，了解电波传播的基础知识，为以后适应工作岗位需求准备必要的基础。本课程具有理论性强、概念抽象以及数学推导繁琐等特点，难以调动学生的兴趣。如何设计教学内容和教学模式，从具体的事物和现象入手，让理论和实践紧密联系，让学生带着问题学习，就成为教学中亟需解决的问题。
1 教学目标
极化是天线的重要电参数，在电磁场理论中也是一个非常重要的概念。对于电磁波极化的学习，教学目标包括知识目标、能力目标和素质目标等3个方面。通过本部分内容的学习，要求学生在知识目标中达到：（1）理解电磁波极化的物理意义；（2）熟悉平面電磁波极化的分类；（3）掌握极化方式的判断方法；（4）了解极化的工程应用。从能力目标出发，主要培养学生：（1）运用场的方法解决实际电磁问题的初步能力；（2）把握实质、提炼思路的能力；（3）举一反三、触类旁通的能力。从素质目标来看，注重培养学生的创新思维和融会贯通的能力。这些目标的实现，需要我们在教学实施过程中重点关注教学内容和教学方法。[1]
2 教学方法
问题驱动式教学法即基于问题的教学方法（Problem-BasedLearning，PBL）。它是一种以学生为主体、以专业领域内的各种问题为学习起点，以问题为核心规划学习内容，让学生围绕问题寻求解决方案的一种学习方法。其中包括设计问题、分析问题、解决问题和结果评价等四个环节。
设计问题必须紧紧围绕教学目标，由浅入深，难易得当，能够激发学生的学习主动性和求知欲。这就对教师的要求较高，教师要在课前准备好问题。这一步骤不仅仅需要教师熟悉教学内容，还要较好地了解学生的情况。这是成功实施问题驱动教学法的基础。
分析和解决问题是以学生活动为主，在实施过程中，一方面围绕提出的问题，通过深入分析与挖掘，使得教学内容能够得以全面展开，学生能够理解概念并加深认识；另一方面，实施过程中要体现教学方法，提高学生在教学过程中的参与程度，教师在此阶段主要是引导发挥作用，当讨论发生跑题或者学生误解问题的本意时，给予及时的提醒和引导。
结果评价包括自我评价、小组互评及教师评价等，通过具体思考题的分析，评价问题解决方法的合理性，对这个知识点的理解和掌握情况以及小组整体表现。教师是结果的评估者，必须具备较强的课堂掌控能力和引导能力。
3 教学设计与实施
教学过程中贯彻“以学生为中心”的指导思想，学生需要改变学习方法，要善于引导自己独立思考和知识创新，变单纯从教师那获取知识的被动学习方法，为充分开发自己的学习潜能。以电磁波极化为例，我们精心设计课堂教学内容。[2]
（1）将天线实例引入课堂，作为一种用来发射和接收电磁波的器件，天线的电参数中包括极化特性，可以将波的极化的讨论直接应用于天线，通过实际测量激发学生的兴趣。
（2）从均匀平面波是横电磁波TEM出发，电场和磁场相互垂直，同时电磁场均与传播方向垂直，、和之间满足右手螺旋关系。判断极化方式以及极化旋向。强调学生独立思考和创造性学习的能力。endprint
（3）通过MATLAB软件编程仿真，得到波的各种极化方式，并针对各种极化方式进行分析，进而使得学生理解并掌握极化的概念。
3.1 极化的类型
极化是天线的重要电参数，在电磁场理论中也是一个非常重要的概念。电磁波极化是指电磁波电场强度的取向和幅值随时间而变化的性质，在光学中称为偏振。如果这种变化具有确定的规律，就称电磁波为极化波。如果极化电磁波的电场强度始终在垂直传播方向的横平面内取向，其电场矢量的端点沿一闭合轨迹移动，则这一极化电磁波称为平面极化波。电场的矢端轨迹称为极化曲线，并按照极化曲线的形状对极化波命名。
通常发射和接收电磁波的天线都具有确定的极化性质，可根据其用作发射天线时在最强辐射方向上的电磁波极化而命名。为了在收发天线之间实现最大的功率传输，应采用极化性质相同的发射天线和接收天线，这种配置条件称为极化匹配，有时为了避免对某种电磁波的感应，采用极化性质与之正交的天线，这种配置条件称为极化隔离。与纵波不同的是，电磁波是三维的横波，正是由于其矢量特性，从而产生极化这一现象。沿+方向传播的均匀平面波，对于单一频率的平面极化波，在一般情况下，电场强度有两个分量：
利用余弦展开式将余弦函数展开，得到：
（1）
（2）
作如下运算：
整理后得到合成矢量的轨迹方程：
将看成、看成，得到曲线方程：（椭圆方程）
满足，根据曲线轨迹的不同，均匀平面波的极化状态分以下三种情况。
3.1.1直线极化
（1）当时，轨迹方程蜕化为：
得到的轨迹是一条直线，也就是说，平面电磁波在空间传播时，在不同时刻、不同位置上，电场强度的两个分量取值不同，但合成矢量的端点总是在一条直线上变化。
（2）当时，轨迹方程蜕化为：
（3）当时，只有分量，称为方向的线极化波。
（4）当时，只有分量，称为方向的线极化波。
3.1.2 圆极化
当，而且，轨迹方程蜕化为圆的方程：
3.1.3椭圆极化
椭圆极化是最一般的极化形式，线极化和圆极化是椭圆极化的特例。
采用MATLAB软件[3]绘制三种不同的极化方式，如图1所示。
3.2 极化旋向的判定
对于圆极化和椭圆极化，必须判断其极化旋向，下面以沿方向传播的椭圆极化波为例进行介绍，该方法可以适用于沿任意方向传播的均匀平面电磁波。如前所述=2-1满足- ≤≤ ，其中1为电场分量的初相位，2为电场分量的初相位。
（1）当<0时，分量比分量相位超前，对于一个固定点，分量将先达到最大值，然后分量才达到最大值，说明合成矢量端点的轨迹随时间变化逆时针转动，也即极化的旋转方向与波的传播方向（+z方向）符合右手螺旋法则，这种平面波称为右旋椭圆极化波。
（2）当<0时，分量比分量相位滞后，同样方法分析，这种平面波称为左旋椭圆极化波。采用MATLAB软件绘制的仿真图如图2所示。
3.3 圆极化仿真分析
学生在理论推导的过程中，针对圆极化方式，采用MATLAB软件编程并绘制其动态轨迹图，仿真图如图3所示。教师引导学生调用不同的绘图函数，标出图题、XY轴标注，调整自变量可绘出不变颜色的点、线、复线或多重线。在繁琐的理论推导中，激发学生的学习热情和兴趣。[4]
部分程序代碼如下：
subplot（2，2，1）；
wt=0：.001：10；
kz=0；
plot（exm*cos（wt-kz+faix），eym*cos（wt-kz+faiy））；
axis（[-1.1 1.1 -1.1 1.1]）；
xlabel（'Ex'）；
ylabel（'Ey'）；
axis equal；
grid on；
title（'固定位置轨迹'）；
subplot（2，2，2）；
plot（exm*cos（wt-kz+faix），kz）；
axis（[-1.1 1.1 0 10]）；
xlabel（'Ex'）；
ylabel（'z'）；
grid on；
title（'固定位置Ex'）；
4 结语
本课程涉及的物理概念和数学分析比较多，而且存在教学内容多学时少的矛盾。教师教学过程中需要突出重点，以点带面，采用一定的教学方法，培养学生揭示电磁波的本质、抓住学习要点的能力与素质，进而引导他们的求知欲和创新欲。学生学习过程中需要有效地利用学习工具和资源，把握实质，提炼思路，进而夯实基本知识、掌握基本技能、培养基本能力和提高基本素质。这里以电磁波极化为例进行分析，有特殊到一般，由复杂到简单，并结合MATLAB工作平台，直观形象，还提高了分析效率。将电磁波极化的教学探讨引入到本课程的教学改革中，作为其中的一部分，着实提高了学生学习的积极性，开拓了学生的思维，反过来对教学过程也起到了积极作用。
参考文献
[1] 渠立永，刘君等.军事院校“电磁场理论”课程教学改革与实践[J].教育教学论坛，2014（49）：142-143.
[2] 周建华，刘伟春等.《电磁场与电磁波》教学思考[J].科技与创新，2015（15）：132-133.
[3] 张华美，徐立勤.电磁仿真软件在《电磁场与波》教学中的应用[J].软件导刊，2016.15（11）：212-215.
[4] 陈苗根，于明州等.基于演示实验的电磁学课堂教学改革[J].教育教学论坛，2017（2）：269-270.endprint
