基于科研項(xiàng)目流程的微帶天線實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

程春霞, 許錄平, 孫景榮, 孫文方

(西安電子科技大學(xué) 空間科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 陜西 西安 710126)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)承載著學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力培養(yǎng)的重任[1]。如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)掘和培養(yǎng)學(xué)生的科研思維能力,使其在以后的各種實(shí)踐性活動(dòng)中更好地應(yīng)對(duì)復(fù)雜的狀況,是當(dāng)前教學(xué)中尤其需要注意的問(wèn)題[2],一些院校也積極地進(jìn)行了科研思維、能力培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)課程的探索[3-5]。

就天線相關(guān)課程來(lái)說(shuō),隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展,設(shè)計(jì)型仿真實(shí)驗(yàn)開始實(shí)施[6-8],在仿真的基礎(chǔ)上,大連海事學(xué)院針對(duì)天線專業(yè)還有一些不錯(cuò)的綜合性實(shí)驗(yàn)[9-11],這些綜合性的實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生科研思維、科研能力的培養(yǎng)非常有用,但是這些實(shí)驗(yàn)對(duì)于非射頻天線專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō),實(shí)施起來(lái)難度較大。為此,針對(duì)我院專業(yè)的特點(diǎn),在仿真實(shí)驗(yàn)[12]實(shí)施的基礎(chǔ)上,按照微帶天線科研項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程,設(shè)計(jì)了一個(gè)理論設(shè)計(jì)、仿真設(shè)計(jì)與調(diào)試、實(shí)物制作、實(shí)物測(cè)試與調(diào)試、遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性測(cè)試(示教)完整的實(shí)驗(yàn)過(guò)程,在實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過(guò)程中,引導(dǎo)學(xué)生自己用理論知識(shí)來(lái)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期指標(biāo)的差距,并用理論知識(shí)來(lái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)調(diào)試,最終設(shè)計(jì)并制作出符合指標(biāo)要求的微帶天線。

1 基于科研項(xiàng)目流程的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

基于科研項(xiàng)目流程微帶天線實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路來(lái)源于科研工作的實(shí)踐。微帶天線的設(shè)計(jì),首先要根據(jù)項(xiàng)目的具體指標(biāo)選擇合適的天線形式和板材,然后根據(jù)微帶天線的理論對(duì)天線的尺寸、饋電進(jìn)行初步的設(shè)計(jì),再根據(jù)這些理論設(shè)計(jì)的初始值在仿真軟件中建模仿真,并根據(jù)仿真結(jié)果和設(shè)計(jì)指標(biāo)的差距調(diào)整天線的參數(shù),最終得到符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的微帶天線模型。

根據(jù)最終的天線模型尺寸加工微帶天線(畫板、外協(xié)加工)。由于實(shí)際板材介電常數(shù)的偏差、加工誤差等原因,大部分情況下天線實(shí)物測(cè)試時(shí)頻率會(huì)出現(xiàn)偏差,因而需要結(jié)合頻率偏離的方向、相關(guān)理論、仿真調(diào)試經(jīng)驗(yàn),對(duì)實(shí)物進(jìn)行調(diào)試。實(shí)物調(diào)試采用裁剪輻射貼片(或匹配支節(jié))、貼導(dǎo)電銅箔兩種手段反復(fù)調(diào)試。

為了縮短實(shí)驗(yàn)周期、降低實(shí)驗(yàn)成本以及方便實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施,實(shí)驗(yàn)中學(xué)生設(shè)計(jì)的微帶天線不是外協(xié)加工實(shí)物,而是由學(xué)生自己動(dòng)手在單面覆銅板上粘貼,微帶天線的饋電形式統(tǒng)一采用側(cè)饋的方式。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過(guò)程包括：設(shè)計(jì)指標(biāo)和基本理論、理論設(shè)計(jì)、軟件仿真與調(diào)試、實(shí)物制作、實(shí)物測(cè)試與調(diào)試。另外,還選取優(yōu)秀學(xué)生的天線實(shí)物進(jìn)行天線輻射特性測(cè)試的示教性實(shí)驗(yàn)。

2 基于科研項(xiàng)目流程的實(shí)驗(yàn)實(shí)施

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)和基本理論

本實(shí)驗(yàn)采用單人單組的教學(xué)模式,設(shè)計(jì)指標(biāo)中的天線相對(duì)帶寬和板材統(tǒng)一規(guī)定,但是關(guān)鍵指標(biāo)——天線的中心頻率,與學(xué)生學(xué)號(hào)相關(guān),需要每位學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容計(jì)算。

微帶天線的基本理論非常成熟,圖1為微帶天線的結(jié)構(gòu)示意圖。輻射貼片尺寸W、L計(jì)算公式如下：

(1)

式中,εr為相對(duì)介電常數(shù),εe為等效介電常數(shù)。

側(cè)饋(W邊的中間)阻抗計(jì)算公式為[13-14]

(2)

其中：f0和λ0分別為中心頻率及其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)；c為光速,c=3×108m/s。εe和ΔL可由下面兩個(gè)式子計(jì)算得到：

(3)

(4)

圖1 微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖

微帶天線W邊中點(diǎn)饋電的阻抗可以由(2)式計(jì)算得到,通常其值不等于系統(tǒng)常用的特性阻抗50 Ω,因此需要對(duì)圖1中的天線進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)。阻抗匹配的方法很多,可以通過(guò)將饋電點(diǎn)偏離W邊中點(diǎn)的方法達(dá)到匹配,還可以用單支節(jié)匹配器或λ/4阻抗變換器實(shí)現(xiàn)匹配,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用哪種匹配方式均可。

2.2 理論計(jì)算和仿真調(diào)試

由于每一位學(xué)生所設(shè)計(jì)天線的中心頻率不同,所以每人都需要根據(jù)公式(1)—(4)來(lái)計(jì)算輻射貼片的長(zhǎng)、寬以及天線的輸入阻抗,再根據(jù)選定的匹配方案設(shè)計(jì)匹配結(jié)構(gòu),最后以理論計(jì)算的所有尺寸為初始值在仿真軟件Ansoft HFSS中建模仿真。

建模時(shí),要求學(xué)生先在草稿紙上畫出微帶天線和匹配結(jié)構(gòu)的草圖,所有尺寸以參數(shù)表示,方便后面的調(diào)試,圖2為微帶天線側(cè)饋λ/4匹配器匹配的微帶天線。

圖2 λ/4匹配側(cè)饋微帶天線

因?yàn)槔碚撚?jì)算公式有很多近似,一般情況下初始值仿真的結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)不符,中心頻率會(huì)有偏差,這時(shí)大部分學(xué)生會(huì)向教師尋求幫助。此時(shí),根據(jù)學(xué)生的具體問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生用理論知識(shí)分析頻率偏移的原因,調(diào)整相應(yīng)的參數(shù),驗(yàn)證仿真結(jié)果與理論分析是否相符。在調(diào)試的過(guò)程中注意記錄參數(shù)L、W、L1、W1變化對(duì)天線性能的影響,也就是要詳細(xì)記錄并保存關(guān)鍵的調(diào)試過(guò)程。結(jié)合理論知識(shí)和仿真結(jié)果,反復(fù)調(diào)試各個(gè)參數(shù),直至天線的仿真指標(biāo)與設(shè)計(jì)指標(biāo)吻合。

最后,將各個(gè)尺寸(單位mm)保留一位小數(shù)且小數(shù)位微調(diào)成0或5,以方便后面的手工加工,驗(yàn)證微調(diào)后仿真結(jié)果仍能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo),記錄此時(shí)輻射貼片、匹配器和饋線的尺寸,申請(qǐng)仿真結(jié)果驗(yàn)收。

2.3 實(shí)物制作和測(cè)試調(diào)試

學(xué)生自備直尺和鉛筆,領(lǐng)取微帶天線材料和工具：?jiǎn)蚊娓层~板、銅箔膠帶、SMA接頭和裁紙刀。根據(jù)仿真設(shè)計(jì)的輻射貼片、匹配器和饋線的尺寸,在銅箔膠帶背面畫出微帶天線的形狀,再用裁紙刀將畫出的形狀裁下；然后將微帶天線粘貼在單面覆銅板未覆銅的那一面,如圖3(a)所示；最后在饋線的終端焊上SMA接頭,如圖3(b)所示,注意接頭的法蘭必須與單面覆銅板的覆銅面牢固焊接,否則測(cè)試時(shí)接頭很容易脫落。

圖3 微帶天線實(shí)物

所有的天線實(shí)物必需測(cè)試端口的反射系數(shù)S11,測(cè)試儀器為ROHDE&SCHWARZ的手持式雙端口頻譜分析儀FSH4,它集頻譜分析、天饋線分析、全功能矢量網(wǎng)絡(luò)分析、矢量電壓表、功率計(jì)主機(jī)、寬帶通信解調(diào)等多種測(cè)試功能于一身,本實(shí)驗(yàn)用到的是FSH4的單端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的功能。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀使用時(shí)與低頻常用的示波器等儀器的區(qū)別在于：使用之前必須校準(zhǔn),所以學(xué)生需要熟悉矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)的操作步驟,使用時(shí)若發(fā)現(xiàn)校準(zhǔn)失效(fcal)了,必需重新校準(zhǔn)后才能測(cè)試。

測(cè)試連接如圖4所示,由于手工加工的誤差、板材介電常數(shù)的偏差等因素的影響,天線實(shí)物測(cè)試的S11與仿真結(jié)果相比會(huì)有偏差,需要根據(jù)理論知識(shí)并結(jié)合仿真調(diào)試經(jīng)驗(yàn)對(duì)實(shí)物進(jìn)行調(diào)試,最終將其調(diào)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的頻段,需要標(biāo)記上下邊頻、中心頻率(見圖5)。

圖4 天線S11測(cè)試連接

圖5 實(shí)物S11測(cè)試結(jié)果

2.4 輻射性能測(cè)試

天線的輻射性能測(cè)試需要在微波暗室中進(jìn)行,測(cè)試過(guò)程較復(fù)雜、時(shí)間較長(zhǎng),而且一次僅能進(jìn)行一個(gè)天線的測(cè)試,因此根據(jù)學(xué)生仿真設(shè)計(jì)和S11調(diào)試結(jié)果選擇幾個(gè)設(shè)計(jì)較好的天線進(jìn)行輻射性能示教性測(cè)試。

輻射性能測(cè)試之前為學(xué)生講解:增益、方向圖測(cè)試的測(cè)試原理和系統(tǒng)組成,由測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算天線增益、生成歸一化方向圖的數(shù)據(jù)處理過(guò)程；標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線和微帶天線實(shí)物極化方式的辨別方法；測(cè)試輻射特性時(shí)要注意收發(fā)天線的極化。通過(guò)輻射特性的示教性測(cè)試,讓學(xué)生加深對(duì)天線增益、方向圖等相關(guān)知識(shí)的理解。

3 結(jié)語(yǔ)

由于本專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的相關(guān)課程較少,但是他們今后從事的通信和探測(cè)工作又離不開射頻與天線,因此設(shè)計(jì)了一個(gè)學(xué)生能夠從理論設(shè)計(jì)、仿真調(diào)試、實(shí)物制作到實(shí)物測(cè)試與調(diào)試完整的天線和匹配器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程與實(shí)際科研流程完全相同。通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生加深對(duì)射頻和天線相關(guān)概念和理論的理解,培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和科研思維能力。