射頻微波與天線類課程綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傅世強(qiáng)，李嬋娟，房少軍

（大連海事大學(xué) 國家級電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，遼寧 大連 116026）

為了加強(qiáng)對射頻微波技術(shù)人才實(shí)踐能力的培養(yǎng)，使學(xué)生能夠懂得如何將理論知識更好地轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力，達(dá)到學(xué)以致用的目的，多數(shù)高校均開設(shè)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)。然而由于微波射頻測量儀器和器件價(jià)格昂貴，一些學(xué)校雖然開設(shè)了部分內(nèi)容實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)套數(shù)少，而且主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，還有一些高校為了節(jié)約成本，采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)［1-3］的辦法，使得學(xué)生缺少實(shí)踐動手環(huán)節(jié)。為了滿足高校實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的需要，一些企業(yè)不斷推出新型射頻微波實(shí)驗(yàn)箱并得到了應(yīng)用［4］，如安泰信 ATRF3033、固緯GRF-3300等。然而這些實(shí)驗(yàn)箱所提供的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案更多的是測試廠家生產(chǎn)的射頻微波器件的技術(shù)指標(biāo)，顯然在培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力方面是欠缺的。設(shè)計(jì)出創(chuàng)新設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)是射頻微波與天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)，文獻(xiàn)［5］和文獻(xiàn)［6］通過采用銅箔粘貼在單面介質(zhì)板的方法，讓學(xué)生全程自己動手設(shè)計(jì)和制作射頻前端系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，大大增加了學(xué)生自主創(chuàng)新的空間。但這也僅僅是單個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，不具綜合性，不能從系統(tǒng)的角度出發(fā)，觀察整體信號的傳輸效果。

為實(shí)現(xiàn)學(xué)校人才培養(yǎng)和企業(yè)實(shí)際需求之間的無縫對接，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力，本文借鑒了國外高校成功的教學(xué)模式和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)［7-8］，提出一套涵蓋“射頻電路實(shí)驗(yàn)”、“天線技術(shù)實(shí)驗(yàn)”和“電波傳播實(shí)驗(yàn)”等課程的綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將看不到的無線電波信號通過LED燈形象化地顯示出來，以揭示電磁信號的產(chǎn)生、變換、輻射和傳播特性規(guī)律，配合并豐富“電磁場理論”，“微波技術(shù)”、“射頻電路設(shè)計(jì)”和“電波與天線”課程的實(shí)踐教學(xué)。所設(shè)計(jì)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目形象生動，可直觀感知電磁信號的特性和規(guī)律，易于在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；所開發(fā)的綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，具有設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)新性的環(huán)節(jié)，易于提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和綜合設(shè)計(jì)能力，從而增強(qiáng)就業(yè)競爭力。

1 綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介與模塊化設(shè)計(jì)

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多本科生并不知道自己所學(xué)的知識將來會有什么用途，再加上傳統(tǒng)射頻微波和天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多是驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，靠背誦實(shí)驗(yàn)器材和步驟，因此嚴(yán)重影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。我們提出的綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)能夠形象生動地顯現(xiàn)電磁信號的產(chǎn)生和傳輸，并可直觀感知電磁波特性和規(guī)律，從而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中顯著激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生從觀測的現(xiàn)象中思考和發(fā)現(xiàn)問題，調(diào)動學(xué)生主動開展研究性學(xué)習(xí)。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)主要由電磁波發(fā)射裝置、接收裝置、金屬柵網(wǎng)3部分構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，加工實(shí)物圖如圖2所示。每一部分均采用模塊化設(shè)計(jì)思路，以各單元模塊的設(shè)計(jì)、制作、測試為基礎(chǔ)慢慢到系統(tǒng)綜合層面上，讓學(xué)生逐步建立起系統(tǒng)的概念，并能夠在系統(tǒng)的層面上分析和調(diào)試，效果和影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了原先單純的單元式和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

圖1 綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的原理圖

圖2 綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)從模塊化劃分為：射頻振蕩器、射頻放大器、射頻帶通濾波器、微帶天線、金屬柵網(wǎng)和射頻信號檢測顯示LED電路。系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，一方面“電路模板”包含了射頻有源器件、射頻無源器件和射頻信號檢測電路等內(nèi)容，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)的局部和整體有機(jī)結(jié)合；另一方面有利于電路的更新，分步驟地開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，如混頻器，目前僅僅引入了信號指示器LED顯示，后期可以引入音視頻傳輸模塊通過混頻實(shí)現(xiàn)圖像和聲音的傳輸，更具工程化和實(shí)用性。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的模塊如圖3所示。

圖3 綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的模塊化電路

圖3（a）為射頻晶體管振蕩器。射頻振蕩器采用通用NPN雙極晶體管AT41486設(shè)計(jì)，振蕩頻率為ISM（industrial scientific medical）915MHz開放頻段，供電電壓為6V，采用電池盒放入4節(jié)5號電池實(shí)現(xiàn)，其中偏置條件為4V、20mA，輸出功率大約3dBm，相位噪聲-70dBc／Hz＠10kHz，二倍頻輸出功率約為-25 dBm，三倍頻輸出頻率約為-37dBm。圖3（b）為射頻晶體管放大器。射頻放大器采用通用NPN雙極晶體管AT41435設(shè)計(jì)，供電電壓為6V，其中偏置條件為5V、30mA，工作頻率885～945MHz范圍內(nèi)，增益超過15 dB，回波損耗大于15dB，隔離度優(yōu)于-20dB。圖3（c）為發(fā)夾線帶通濾波器，其帶寬比平行耦合線濾波器寬，具有更好的帶通性能，而且體積小，實(shí)測濾波器在中心頻率915MHz的插損為2.2dB，回?fù)p為21.5dB，由于板材損耗，在900～928MHz通帶內(nèi)插損均能在4dB以內(nèi)。圖3（d）為微帶八木天線，該內(nèi)容將作為例子在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)部分詳細(xì)闡述。針對以上各模塊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不僅僅包括單個(gè)模塊的設(shè)計(jì)和制作，還要學(xué)生學(xué)習(xí)和了解各種射頻相關(guān)儀器設(shè)備（如頻譜分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等）的測試方法。

無線電波無處不在，看不見摸不著，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中難以理解和掌握電磁波的傳播特性。文獻(xiàn)［9］采用白熾燈作為微波頻段電磁波接收指示器，實(shí)現(xiàn)對電磁波眼見為實(shí)的感知。借鑒其思路，本文通過射頻整流檢波電路（二極管HSMS2822檢波和三極管LM324運(yùn)算放大）將看不到的無線電波通過LED燈形象化的顯示出來，其實(shí)物圖如圖3（e）所示。電磁波的傳播規(guī)律比較抽象，對電磁波極化的研究，有利于分析電磁波在自由空間的傳播特性。文獻(xiàn)［10］理論分析了無限長窄縫和孔縫對不同線極化電磁波的傳輸特性，本文則通過實(shí)際加工金屬柵（包括水平柵 、豎直柵、網(wǎng)格柵）來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。網(wǎng)格柵實(shí)物如圖3（f）所示，通過放入不同金屬柵（水平柵 、豎直柵、網(wǎng)格柵）前后，LED信號指示器顯示強(qiáng)弱的不同，以直觀化、形象化的方式，幫助學(xué)生加強(qiáng)理解和深入掌握課堂教學(xué)中關(guān)于電磁波極化特性等抽象內(nèi)容。

2 綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)方法的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要任務(wù)是訓(xùn)練學(xué)生完成一個(gè)采用先進(jìn)科研手段進(jìn)行射頻電路設(shè)計(jì)研究的全過程。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)首先采用業(yè)界公認(rèn)的射頻微波電路仿真軟件ADS（advanced design system）和 三 維 電 磁 場 仿 真 軟 件HFSS（high frequency structure simulator）對給定指標(biāo)的射頻電路和天線進(jìn)行仿真優(yōu)化，接著將仿真優(yōu)化得到的電路模型設(shè)計(jì)成微帶版圖，然后利用得到的微帶版圖加工制作微帶電路板，最后對加工的器件尺寸進(jìn)行測量及性能調(diào)試。實(shí)驗(yàn)過程是一個(gè)不斷重復(fù)的過程，通過對前一次測試結(jié)果及誤差的分析，提出改進(jìn)方案，再進(jìn)行仿真優(yōu)化和加工測試調(diào)試，最終得到滿意的結(jié)果。

所設(shè)計(jì)的綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)際的射頻通信工程密切相關(guān)，甚至直接是實(shí)際工程中的射頻微波器件，例如振蕩器、放大器、濾波器、微帶天線等器件的設(shè)計(jì)。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由指導(dǎo)教師給出實(shí)驗(yàn)材料和詳細(xì)設(shè)計(jì)指標(biāo)，不限定電路形式和設(shè)計(jì)方法，由學(xué)生自由發(fā)揮，根據(jù)所學(xué)知識完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。設(shè)計(jì)的理論知識都源于“電磁場理論”、“微波技術(shù)”、“射頻電路設(shè)計(jì)”和“天線與電波傳播”等課程，利用理論進(jìn)行射頻微波器件設(shè)計(jì)只是完成了實(shí)驗(yàn)的第一步。

下面以微帶八木天線實(shí)驗(yàn)為例，進(jìn)行教學(xué)方法的詳細(xì)介紹。

在實(shí)驗(yàn)過程中，第一階段由學(xué)生利用課堂學(xué)習(xí)到的理論知識，以及查閱相關(guān)文獻(xiàn)［11-12］后獲取的相關(guān)知識，進(jìn)行天線尺寸的設(shè)計(jì)及計(jì)算，此階段有助于學(xué)生深入掌握所學(xué)的基本理論和提高文獻(xiàn)檢索閱讀能力；第二階段學(xué)生進(jìn)入仿真實(shí)驗(yàn)室，利用正版ADS和HFSS軟件，進(jìn)行微帶八木天線的計(jì)算機(jī)建模及電磁仿真，仿真模型如圖4所示，此階段有助于學(xué)生掌握射頻EDA電磁仿真軟件；第三階段學(xué)生進(jìn)入加工實(shí)驗(yàn)室，利用準(zhǔn)備好的射頻實(shí)驗(yàn)材料，如圖5所示，自己動手制作微帶八木天線的電路結(jié)構(gòu)，利用雕刻刀和銅箔刻出天線結(jié)構(gòu)，并粘貼到介質(zhì)材料板上，此階段有助于學(xué)生掌握射頻電路的加工和版圖設(shè)計(jì)；第四階段學(xué)生進(jìn)入測試實(shí)驗(yàn)室對加工好的微帶八木天線進(jìn)行電氣指標(biāo)測試和調(diào)試，如圖6所示，此階段有助于學(xué)生掌握射頻測試設(shè)備的使用方法；第五階段進(jìn)行工程驗(yàn)證，將設(shè)計(jì)好的天線接到綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)良好的信號收發(fā)。當(dāng)然本實(shí)驗(yàn)也易于推廣到其他的天線形式，如偶極天線、環(huán)天線等，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置，可以針對學(xué)生的能力和各專業(yè)要求的不同而進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)，有較大的擴(kuò)展余地。

圖4 微帶八木天線仿真

圖5 微帶八木天線加工

圖6 微帶八木天線測試

3 結(jié)束語

本文提出了一套射頻微波與天線類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，以各單元模塊的設(shè)計(jì)、仿真、制作、測試為基礎(chǔ)逐步到系統(tǒng)集成上，將抽象的射頻微波信號的產(chǎn)生、變換、輻射和傳播特性，通過形象化的手段展示出來，有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，全面地提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。所開發(fā)的綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，具有設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)過程中具有發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)新性的環(huán)節(jié)，提高了學(xué)生的創(chuàng)新精神和動手能力。目前已經(jīng)應(yīng)用于電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的“射頻電路設(shè)計(jì)”和“微波技術(shù)課程設(shè)計(jì)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，取得了良好的教學(xué)效果，并受到學(xué)生的歡迎。

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