射頻無源器件設(shè)計實驗教學(xué)開發(fā)板的實現(xiàn)

傅世強， 李嬋娟， 房少軍

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

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進步，無線通信頻率正在向更高的頻段發(fā)展，射頻微波技術(shù)愈來愈顯示出其重要性[1-2]。目前國內(nèi)在射頻微波工程方面的人才十分緊缺[3]，基于這種現(xiàn)狀，全國大約有300所高校開設(shè)了“微波技術(shù)”、“電波與天線”以及“射頻電路設(shè)計”的課程，然而這些課程的實驗教學(xué)卻不盡如人意，大部分實驗是驗證性的，設(shè)計內(nèi)容幾乎為零[4-8]。驗證性實驗不利于大學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，因此，為了改革實驗教學(xué)，一些能夠做綜合性、系統(tǒng)性、設(shè)計性實驗的多功能實驗開發(fā)板和教學(xué)實驗箱不斷出現(xiàn)[9-10]。

少數(shù)高校為培養(yǎng)射頻微波技術(shù)人才也開設(shè)了創(chuàng)新性的射頻電路實驗，并為該實驗提供了教學(xué)開發(fā)板[11-12]。但對這種耗材類的教學(xué)開發(fā)板在實用性以及穩(wěn)定性上，沒有進行細致的研究和設(shè)計，重復(fù)利用率不高，一定程度上增加了實驗教學(xué)成本。例如文獻[11]中采用成本較低的FR4板作為實驗板材，導(dǎo)致插入損耗較大，影響了實際電路性能；文獻[12]中由于采用低成本的BNC接頭，在與測試儀器連接時需要轉(zhuǎn)換，增加了不連續(xù)性，測試穩(wěn)定性差。并且上述文獻中使用的開發(fā)板均沒有采用較好的防護措施，容易損壞。

為了解決上述問題，我們對射頻電路課程實驗教學(xué)開發(fā)板的設(shè)計進行了研究，分析了能夠影響實驗性能的一些主要因素，綜合考慮了設(shè)計、制作和測試3個主要實驗過程中可能遇到的問題，開發(fā)了一套兼顧成本和性能、高穩(wěn)定性、可重復(fù)利用、適用于高校實驗教學(xué)的射頻無源器件開發(fā)板。該開發(fā)板采用了與企業(yè)開發(fā)產(chǎn)品模式相一致的設(shè)計思路，教會了學(xué)生如何把自己大學(xué)課堂所學(xué)知識轉(zhuǎn)換為實際產(chǎn)品，極大地提高了學(xué)生的實驗興趣。該開發(fā)板不僅能夠滿足實驗教學(xué)的需要，而且還能夠供教師科研開發(fā)之用。

1 射頻無源器件開發(fā)板的設(shè)計

傳統(tǒng)的射頻電路教學(xué)實驗都是驗證性的，其原因在于沒有找到一個類似于低頻電子線路的面包板提供給學(xué)生可以任意地設(shè)計電路并進行測試。對于射頻微波頻段而言，電路都是分布參數(shù)的，可以說結(jié)構(gòu)就是電路。因此我們利用銅箔粘貼在單面微波材料板上可實現(xiàn)各種射頻電路的思路，著重考慮了射頻板材及接頭的選取、結(jié)構(gòu)尺寸和布局、外殼防護以及接口接地的處理幾個方面，設(shè)計了一個可提供學(xué)生反復(fù)利用的射頻無源器件設(shè)計實驗開發(fā)板。

為了能夠讓學(xué)生手工粘貼銅箔制作射頻微波器件，其結(jié)構(gòu)尺寸的加工精度會受到限制，因此需要充分考慮到射頻電路板上傳輸線的寬度、長度和線與線之間的距離等因素，而這些尺寸的大小與微波材料板的厚度和介電常數(shù)緊密相關(guān)。兼顧性能與成本，在板材的選取方面，考慮到低損耗、介電特性的高穩(wěn)定性，最終選用了介電常數(shù)為2.65、厚度為2 mm的國產(chǎn)F4B微波板，能夠配合搭載線寬5 mm的50Ω微帶線，非常適合學(xué)生進行手工加工，并且測試結(jié)果誤差不大；選擇的接頭必須和微波電路板相匹配，還需考慮到接頭便于安裝和替換、便于與測試設(shè)備對接(目前大多數(shù)矢網(wǎng)測試設(shè)備都是N型接頭)、價格低廉以及牢固耐用，最終選用了N型K接頭；結(jié)構(gòu)尺寸和布局方面則考慮了本科教學(xué)的實驗內(nèi)容，尺寸大小與設(shè)計的中心頻率對應(yīng)的波長有關(guān)，頻率規(guī)定在1～2 GHz，輸入輸出的接口位置充分考慮了阻抗變換器、功分器、耦合器、濾波器以及微帶天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計，最終設(shè)定開發(fā)板大小200 mm×150 mm，選定6個N型射頻接頭通過插接的方式分別安裝于開發(fā)板的四周，一旦接頭損壞，可方便拆下替換新接頭。另外接頭處接地處理是在設(shè)計開發(fā)板過程中最值得注意的地方，因為射頻接地不同于低頻接地，射頻需要接地時要立即接地，否則將造成一定的阻抗變換和不連續(xù)性，嚴重影響射頻電路的性能，因此采用給微波板加外殼的方式，接頭附近用螺絲固定底板與外殼，即可實現(xiàn)良好的接地，并且加入外殼后整體非常穩(wěn)固，還能夠?qū)ξ⒉ò迤鸬胶芎玫姆雷o作用。最終設(shè)計的開發(fā)板如圖1所示。

圖1 射頻無源器件設(shè)計實驗教學(xué)開發(fā)板

經(jīng)過設(shè)計的射頻無源器件實驗教學(xué)開發(fā)板，不僅提高了實驗耗材的穩(wěn)定性，并且由于加框加殼的處理，可以讓學(xué)生在實驗過程中，了解工程上經(jīng)過封裝后的各種器件在性能上與理想狀態(tài)的區(qū)別，一定程度上和工程接軌。這樣學(xué)生不僅通過實驗教學(xué)加深理解了理論課程的知識，同時也能在這種設(shè)計性實驗中開拓自己的思路，更進一步地了解工程上或?qū)碓诠ぷ髦锌赡苡龅降母鞣N實際問題。在本科教學(xué)方面，可以說為培養(yǎng)射頻工程人才打下了良好的基礎(chǔ)。如此設(shè)計的開發(fā)板，6個國產(chǎn)N型接頭價格合計60元左右，一塊微波板需50元，外框和外殼的成本40元，再加上銅箔費用，一套實驗教學(xué)開發(fā)板的整體費用大約150元，較好地控制了教學(xué)成本，更重要的是可以重復(fù)利用。

2 射頻無源器件開發(fā)板的實現(xiàn)及應(yīng)用

開發(fā)板的主要構(gòu)成材料為：單面覆銅的F4B微波電路板一塊、金屬外框一個、連接電路板和外框的L型金屬固定條4個、N型射頻接頭6個，以及固定螺絲若干，如圖2所示。組裝時，首先將L型金屬條固定在金屬框內(nèi)側(cè)，再放入微波電路板，用螺絲固定，再將N型射頻接頭固定在金屬框四周預(yù)留好的位置，這樣，一塊可重復(fù)利用的射頻無源器件開發(fā)板就組裝完成了。學(xué)生在實驗時，通過粘貼銅箔的方式，可在同一塊開發(fā)板上進行多次射頻無源器件的設(shè)計和測試。

圖2 開發(fā)板所需材料

下面以威爾金森(Wilkinson)功分器和T型功分器為例，具體設(shè)計步驟如下：

(1) 設(shè)計。利用電磁仿真軟件HFSS和ADS進行理論設(shè)計，并通過優(yōu)化調(diào)整電路尺寸達到設(shè)計指標，將得到的最佳電路結(jié)構(gòu)生成版圖。

(2) 制作。按照原始尺寸打印版圖，首先利用打印好的版圖在銅箔上雕刻出需要的微帶電路結(jié)構(gòu)，然后選取合適的接頭位置，粘貼在射頻微波開發(fā)板上，最后將隔離電阻焊接在功分器的隔離位置處，完成功分器實際電路的制作。

(3) 測試。連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上，測試加工完成的功分器性能，如圖3所示，并與理論值相比較。

圖3 功分器的測試過程圖

實測結(jié)果表明該開發(fā)板性能穩(wěn)定，測試結(jié)果與仿真設(shè)計結(jié)果吻合度較高。

以上簡要敘述了采用開發(fā)板進行功分器設(shè)計的實驗過程，同樣步驟，也可以設(shè)計出其他射頻無源器件，如耦合器、濾波器和微帶天線等，完成實驗教學(xué)的基本內(nèi)容。此外，該開發(fā)板也可供教師進行相關(guān)的科學(xué)研究工作，如快速驗證一些簡單射頻電路的性能等。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計的射頻無源器件實驗教學(xué)開發(fā)板，具有以下特點：

(1) 利用加框加殼的方式，提高了微波板和接頭的穩(wěn)固性及良好的接地性能。

(2) 合理設(shè)計微波板尺寸和射頻接頭個數(shù)以及位置，可以完成5種以上的射頻無源器件的設(shè)計性實驗。

(3) 方便組裝和拆卸，并可以反復(fù)利用，降低了實驗教學(xué)的成本。

(4) 加深了學(xué)生對于企業(yè)開發(fā)產(chǎn)品流程的認識，同時提升了個人就業(yè)競爭力。

(5) 既滿足實驗教學(xué)的需求，又能輔助教師的科研工作。

總之，射頻無源器件設(shè)計實驗教學(xué)開發(fā)板的實現(xiàn)提供給學(xué)生很大的創(chuàng)新設(shè)計空間，并且易操作便攜帶，提高了學(xué)生的實驗興趣，為射頻工程人才的培養(yǎng)奠定了較好的基礎(chǔ)。

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