引向天線教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

廖 欣 何 寧 李小明

（桂林電子科技大學(xué)信息與科技學(xué)院，廣西桂林541004）

電波傳播與天線是通信、電子類專業(yè)本科學(xué)生的一門重要的專業(yè)課程，通過課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)近地空間電磁波傳播物理機(jī)制和傳播特點(diǎn)，并能針對性地進(jìn)行典型天線的工程設(shè)計(jì)方法。課程具有較強(qiáng)的工程性，與配套的天線實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，能充分培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力。

1 實(shí)驗(yàn)基本原理

天線項(xiàng)目的測試，通常需要射頻信號源、頻譜儀或者矢量信號分析儀等儀器設(shè)備，但這些設(shè)備往往價(jià)格比較昂貴，如果要成套配置和大量裝備，更是需要大量經(jīng)費(fèi)，不利于本科教學(xué)中天線實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開展。一些學(xué)校甚至開始采用虛擬儀器的方法來模擬天線實(shí)驗(yàn)，采用這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，無法鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手的機(jī)會(huì)。

鑒于這種情況，可以通過設(shè)計(jì)一套高靈敏度的天線放大器，制作一種結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便的引向天線，使用這套實(shí)驗(yàn)裝置，不僅可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的投入，同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中，通過學(xué)生親自動(dòng)手對引向天線進(jìn)行設(shè)計(jì)、組裝和調(diào)整，還進(jìn)一步提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對天線性能的了解，可以培養(yǎng)和提高本科學(xué)生在天線調(diào)試和測試等方面的動(dòng)手能力，加強(qiáng)對天線實(shí)際測試方法的了解和掌握。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)時(shí)，接收天線裝置采用引向天線作為接收天線，它有較好的方向性，比偶極天線有更高的增益，同時(shí)，因?yàn)槠淇垢蓴_較強(qiáng)、作用距離遠(yuǎn)，構(gòu)造簡單，架設(shè)方便，對測向、遠(yuǎn)距離通信效果比較好。設(shè)計(jì)時(shí)一方面考慮到信號源的成本以及配套接收儀器的成本，另一方面為了使整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較小巧，方便在室外（自由空間）進(jìn)行測試。

2 教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置組成和設(shè)計(jì)

根據(jù)天線的實(shí)驗(yàn)測試項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有射頻信號源、發(fā)射天線、接收天線轉(zhuǎn)臺(tái)、引向天線、天線放大器和指示器部分等，如圖1所示。

2.1 引向天線的設(shè)計(jì)制作

根據(jù)系統(tǒng)的工作頻率500MHz，可以計(jì)算出其工作波長為λ=0.6米。為便于根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)了一套有別于傳統(tǒng)上結(jié)構(gòu)、尺寸固定的引向天線系統(tǒng)。振子選擇為可調(diào)節(jié)長度的振子并固定在方塊膠木上，同時(shí)，采用方形塑料型材作天線固定架，并在上面開細(xì)長槽，以便靈活地調(diào)節(jié)振子之間的間距，在天線支撐架還具有垂直方向旋轉(zhuǎn)的裝置和刻度盤。引向天線的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意如圖2。

2.2 天線放大器的設(shè)計(jì)

天線放大器實(shí)際上是一種高頻寬帶低噪聲放大器，在本設(shè)計(jì)中采用了三級放大，前兩級為低噪聲放大，末級采用的是功率放大。天線放大器的電原理圖如圖3。

放大器滿足如下指標(biāo)：工作頻帶100～500MHz，輸入信號動(dòng)態(tài)范圍為：-60dBm～20dBm，噪聲系數(shù)（NF）小于 0.3dB，帶內(nèi)增益不小于45dB，帶內(nèi)增益平坦度±0.5dB以內(nèi)，輸入輸出駐波比小于1.8。電路設(shè)計(jì)時(shí)選擇了適當(dāng)?shù)碾娐沸问?，對輸入端和輸出端進(jìn)行了阻抗匹配。放大后的信號通過功分器，一路為檢波輸出，采用檢波指示方式，適合于降低實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)備投入費(fèi)用，節(jié)省成本；另外一路則直接輸出天線信號強(qiáng)度，用頻譜儀直觀地進(jìn)行測量。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)置和實(shí)驗(yàn)方法

天線的主要性能指標(biāo)有：輻射方向圖、天線增益和方向性系數(shù)、極化方式等，這套實(shí)驗(yàn)裝置可以滿足這些指標(biāo)開展相應(yīng)的測試項(xiàng)目。

3.1 天線的極化實(shí)驗(yàn)

電場、磁場的方向通常都是隨時(shí)間而變化，為了說明波的電場強(qiáng)度的取向，采用了波的極化這個(gè)概念。電磁波的極化是電磁場和電磁波、電波傳播與天線課程中的一個(gè)重要概念。

天線輻射電磁波中電場的方向就是天線的極化方向，收發(fā)天線的極化狀態(tài)和方式必須一致時(shí)，才能有效地接收到信號，否則將使接收信號質(zhì)量變壞，甚至完全收不到信號，這種現(xiàn)象稱為極化失配。

天線實(shí)驗(yàn)中，由于本科學(xué)生空間認(rèn)識(shí)能力的差異和對極化概念理解的偏差，常常有學(xué)生將兩個(gè)處于同一平面內(nèi)組成的收發(fā)系統(tǒng)，誤認(rèn)為是極化失配。為了進(jìn)一步幫助學(xué)生對極化這一概念的理解，將作為接收天線的引向天線旋轉(zhuǎn)不同的角度，通過測量其在不同角度位置上的接受信號強(qiáng)度的變化，驗(yàn)證和理解天線的極化。

按照圖1連接實(shí)驗(yàn)裝置，將收、發(fā)天線等高水平架設(shè)，調(diào)整接收天線水平旋轉(zhuǎn)角度，保證兩個(gè)天線極化狀態(tài)相同且最大輻射方向?qū)?zhǔn)，記錄數(shù)據(jù)；按照一定偏轉(zhuǎn)角度垂直旋轉(zhuǎn)接收天線，并最終旋轉(zhuǎn)到90°（即使之與地面垂直）。通過實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生在建立一定的空間概念的基礎(chǔ)上，測量天線的極化狀態(tài)對接收效果的影響，加深對極化這一重要概念的理論認(rèn)識(shí)。

3.2 天線方向圖的測試

所謂天線方向圖，是指在離天線一定距離處，輻射場的相對場強(qiáng)（歸一化模值）隨方向變化的圖形，通常采用天線最大輻射方向上的兩個(gè)相互垂直的平面方向圖（H面和E面）來表示。

實(shí)驗(yàn)采用實(shí)際工作中經(jīng)常采用的旋轉(zhuǎn)天線法，測量五元引向天線的H面方向圖，調(diào)整引向天線振子數(shù)量，組成一個(gè)五元引向天線，并將引向天線上的振子在天線固定架上移動(dòng)，按照要求，調(diào)整好各振子的間距，調(diào)整完成后，必須用螺釘頂緊，防止在實(shí)驗(yàn)過程中振子位置發(fā)生變動(dòng)。水平旋轉(zhuǎn)接收天線一周，每隔一定的角度（一般為3°～5°）記錄指示器的讀數(shù)，按照記錄結(jié)果將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，繪制引向天線H面方向圖。學(xué)生可以在繪制的H面方向圖上，測量出主瓣寬度（即場強(qiáng)相對值為0.707的兩個(gè)點(diǎn)之間的夾角），并與理論計(jì)算值進(jìn)行比較。

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不僅可以讓學(xué)生形象地了解表示天線的方向性的方向圖，掌握天線方向圖的測試方法而且，通過將實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析對比，進(jìn)一步加深對主瓣寬度、方向系數(shù)等天線電參數(shù)概念的認(rèn)識(shí)。

3.3 引向天線的設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以開展進(jìn)行一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。例如，給定學(xué)生一些天線的參數(shù)和指標(biāo)，讓學(xué)生按照這些技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行理論計(jì)算并設(shè)計(jì)引向天線，動(dòng)手進(jìn)行調(diào)試。通過實(shí)際測試，觀察實(shí)際測試結(jié)果與理論計(jì)算值之間的差異，按照實(shí)際測量結(jié)果，重新調(diào)整引向天線結(jié)構(gòu)尺寸，如反射器、引向器長度以及各振子間距、有源振子的長度等，使引向天線的各項(xiàng)參數(shù)和指標(biāo)達(dá)到要求。通過實(shí)驗(yàn)，不僅可以增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，還進(jìn)一步加強(qiáng)對天線設(shè)計(jì)、測試和調(diào)整整個(gè)過程的了解。

3.4 驗(yàn)證天線結(jié)構(gòu)變換對其性能的影響

通過實(shí)驗(yàn)測量，了解引向天線的振子位置、數(shù)量、幾何尺寸與各電參數(shù)之間的關(guān)系。

①由一個(gè)無源振子和有源振子構(gòu)成一個(gè)二元引向天線，通過改變無源振子的尺寸以及無源振子和有源振子的間距，測量其方向圖，研究引向天線中，無源振子所起的反射作用或引向作用；

②以一個(gè)無源振子作反射器、一個(gè)無源振子作引向器和一個(gè)有源振子構(gòu)成三元引向天線并測量其方向圖；以一個(gè)無源振子作反射器、三個(gè)無源振子作引向器和一個(gè)有源振子構(gòu)成五元引向天線，測量其方向圖，通過改變無源振子的數(shù)量，研究振子數(shù)量與天線方向圖的關(guān)系。

4 結(jié)論

天線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)引向天線的結(jié)構(gòu)，使其調(diào)整更加方便、靈活，并與設(shè)計(jì)的符合性能要求的天線放大器配合，可以根據(jù)各個(gè)學(xué)校實(shí)驗(yàn)成本的具體情況，按照不同配置的測試儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，開展多個(gè)驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性的天線實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

配合天線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展的天線實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手設(shè)計(jì)、調(diào)整和測試，使學(xué)生將理論知識(shí)與工程實(shí)踐結(jié)合在一起，不僅鞏固、深化了學(xué)生的理論知識(shí)，還可以培養(yǎng)其實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)。

［1］蘇光杰.高靈敏度天線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2001,21(4):69-71.

［2］張建華,黃冶.電磁波極化和天線極化的教學(xué)研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2011,10(4):111-114.

［3］康行健.天線原理與設(shè)計(jì)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1993.