電磁波測向教學實驗設計

陳 波，楊德強，潘 錦，王志敏

（電子科技大學 電子工程學院，四川 成都 611731）

電磁場與波課程教學中，天線的方向圖是重要參數之一［1］，天線教學在有些專業甚至列為單獨的課程［2］。然而，可以準確測量天線參數的測試系統十分昂貴，一些高校開發了仿真和虛擬實驗的方法［3－9］，也有一些學校開發出各類針對學生的簡易實驗測試系統［10－13］。這些實驗對學生而言，可以理解方向圖的測量方法，但難以直觀理解參數的實際用途。本實驗設計解決了這一難題，學生可以自制測向天線，并利用天線方向圖進行測向，查找和跟蹤目標信號源的位置。該實驗的開展，使學生實驗興趣濃厚，參加實驗的積極性很高，對天線參數的理解和掌握程度得到很大提高。

1 實驗系統原理與設計

天線跟蹤測向，類似于捉迷藏游戲，利用天線的方向性，尋找能發射無線電波的小型信號源（即發射機），在民用和軍事上中都有大量應用。本實驗的設計思路，是在校園內樹林、草地等自然環境中，事先隱藏好數個信號源，定時發出規定的信號。實驗者手持場強儀和測向天線，在規定時間內，測出隱蔽信號源的所在方位，采用徒步方式，迅速、準確地尋找出這些信號源。

1.1 天線測向原理

利用天線方向圖測定發射電臺所在的方向，可以分為最大值測向和零值點測向2種方法。最大值測向可以利用具有單向方向圖的天線，當測向天線最大值方向對準目標時，場強儀讀數最大，從而判斷出目標的方向，接近目標時，場強儀讀數進一步增大，從而判斷出目標的遠近。

零值點測向利用如圖1所示的8字形方向圖，其中零值位置角度分辨率最高，有利于精確判斷信號來波方向，缺點是目標可能來自相差180°的2個方向。但可以利用2個相距足夠遠的測向點，2次確定發射電臺的方向。2個測向點到目標之間可以確定2條直線，它們的交點則是信號源位置。

圖1 零值點測向原理

實際的測向行進路線一般按照道路的走向前進，如圖2所示，中途停頓進行信號源方向判斷，可以同時記錄多個信號源的方向，并在地圖上標識，到達第2個停頓點時，再次記錄這些信號源的方向，通過交叉定位，獲得信號源大致位置，然后迅速到達該區域尋找。當到達信號源附近后，信號來波角度的判斷精度已不重要，零值點測向的效率變得十分低下，此時應更換天線，采用最大值測向，大致判斷目標方位，并結合觀察場強測試儀的讀數是否增強，從而判斷是否接近目標，以加快搜索進度。

圖2 中途測向方法示意圖

1.2 實驗系統設計

實驗系統由天線跟蹤測向裝置和目標信號源組成。

天線跟蹤測向實驗裝置如圖3所示。主要由場強測試儀、天線支撐桿和測向天線構成，測向天線通過硬同軸電纜安裝于天線支撐桿頂部，經一根1.5m長的軟同軸電纜連接到場強測試儀。天線支撐桿底部為鎖緊接頭，防止運動時電纜擺動影響測試準確性。支撐桿下部突起設計為手握部位，方便手握和轉動方向。硬同軸電纜長度為10cm，分為直線型和直角型2種，分別用于架設對稱天線和單方向性天線，可供實驗教師根據情況靈活設計實驗方案。

圖3 跟蹤測向實驗裝置示意圖

自制的目標信號源如圖4所示，該信號源采用內部自帶的充電電池供電，持續發射時間可以超過4h，足夠一次學生實驗使用。信號源一體化程度高，外觀無指示燈和鮮艷色彩，表面通常為黑色或深綠色，便于隱蔽，內部采用單片機控制的鎖相環，可以設置發射頻點、功率和發射周期等參數。為了方便學生實驗中進行天線設計和制作，信號源設計的工作頻率為915 MHz～925MHz可調。在此頻段，天線尺寸較為適中，金屬材料取材容易且便于制作。

圖4 自制信號源

2 電磁波測向實驗方案設計

選擇校園內適合開展電磁波測向實驗的安全區域，實驗教師事先制作該區域的簡易地圖，提供給學生使用。實驗前1h左右，在規定區域內放置4～5個目標信號源，設置為不同的發射頻率，每個信號源都有一個確定的編號，并記錄它們的藏匿位置和發射頻率等參數。目標信號源可以隱藏于樹枝和草叢中，并做好偽裝工作，信號源附近放置一個與目標信號源編號相同的印章，供學生找到后在實驗表格上留證。

學生根據所學的天線知識，設計合適的測向天線，并使用銅絲等材料在實驗室完成天線制作。測向天線一般應包括單向和雙向2種。實驗具體步驟如下：

（1）按照圖3所示，將制作完成的測向天線安裝于天線支撐桿頂部，并連接好與場強儀之間的高頻電纜；

（2）根據指導教師給出的藏匿信號源頻率，選擇其中一個，設置好場強儀的頻率范圍和幅度范圍；

（3）利用實驗室的微波信號源，確定天線測向裝置可以正常接收信號，信號強度隨測向天線的對準方向變化趨勢符合設計要求；

（4）熟悉實驗用簡易地圖，迅速到達指定地點開始測向，先利用零值點測向，初步判斷信號源方位，接近目標后，再使用最大值測向，直到發現第一個信號源后，在地圖上標出藏匿位置，并用印章在地圖上蓋章；

（5）將場強儀更換為另一個信號源工作頻率，重復第4步，直到找完所有信號源為止；

（6）根據測向中遇到的具體問題和查找目標的經驗，分析其中的規律，總結出使用時間最短的尋找信號源的步驟和方法。

3 結束語

利用天線方向圖的原理設計的電磁波測向實驗，可以在校園內的室外樹林開闊場地進行，也可以在教學樓內開展，實驗方法簡便易行，實驗的競爭性和趣味性較強。學生通過親手制作測向天線，了解天線的方向圖特性，完成實際的測向跟蹤工程應用，對幫助學生更好地理解天線理論十分有益。本實驗方法適合通訊、電子信息工程等專業學生學習電磁場與波、微波技術與天線等課程開展實驗教學。

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