射頻微波與天線類課程綜合創新性實驗系統設計

傅世強，李嬋娟，房少軍

（大連海事大學 國家級電工電子實驗教學示范中心，遼寧 大連 116026）

為了加強對射頻微波技術人才實踐能力的培養，使學生能夠懂得如何將理論知識更好地轉化為實際生產力，達到學以致用的目的，多數高校均開設了實驗教學。然而由于微波射頻測量儀器和器件價格昂貴，一些學校雖然開設了部分內容實驗，但實驗套數少，而且主要以驗證性實驗為主，不利于培養學生的創新設計能力，還有一些高校為了節約成本，采用虛擬仿真實驗［1-3］的辦法，使得學生缺少實踐動手環節。為了滿足高校實驗實踐教學的需要，一些企業不斷推出新型射頻微波實驗箱并得到了應用［4］，如安泰信 ATRF3033、固緯GRF-3300等。然而這些實驗箱所提供的實驗教學方案更多的是測試廠家生產的射頻微波器件的技術指標，顯然在培養學生設計能力和創新能力方面是欠缺的。設計出創新設計性的實驗是射頻微波與天線實驗教學面臨的一個挑戰，文獻［5］和文獻［6］通過采用銅箔粘貼在單面介質板的方法，讓學生全程自己動手設計和制作射頻前端系統中的關鍵器件，大大增加了學生自主創新的空間。但這也僅僅是單個模塊的設計，不具綜合性，不能從系統的角度出發，觀察整體信號的傳輸效果。

為實現學校人才培養和企業實際需求之間的無縫對接，培養學生的綜合能力和創新能力，本文借鑒了國外高校成功的教學模式和教學經驗［7-8］，提出一套涵蓋“射頻電路實驗”、“天線技術實驗”和“電波傳播實驗”等課程的綜合創新性實驗教學系統。采用模塊化設計思路，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生、變換、輻射和傳播特性規律，配合并豐富“電磁場理論”，“微波技術”、“射頻電路設計”和“電波與天線”課程的實踐教學。所設計的創新實驗項目形象生動，可直觀感知電磁信號的特性和規律，易于在實驗教學中激發學生學習興趣；所開發的綜合創新性實驗教學系統，具有設計性實驗內容和發揮學生創新性的環節，易于提高學生的創新精神和綜合設計能力，從而增強就業競爭力。

1 綜合創新性實驗系統簡介與模塊化設計

通過調查發現，很多本科生并不知道自己所學的知識將來會有什么用途，再加上傳統射頻微波和天線實驗教學大多是驗證性的實驗，靠背誦實驗器材和步驟，因此嚴重影響了學生學習的積極性和主動性。我們提出的綜合創新性實驗教學系統能夠形象生動地顯現電磁信號的產生和傳輸，并可直觀感知電磁波特性和規律，從而在實驗教學中顯著激發學生學習興趣，引導學生從觀測的現象中思考和發現問題，調動學生主動開展研究性學習。該實驗教學系統主要由電磁波發射裝置、接收裝置、金屬柵網3部分構成，實驗原理如圖1所示，加工實物圖如圖2所示。每一部分均采用模塊化設計思路，以各單元模塊的設計、制作、測試為基礎慢慢到系統綜合層面上，讓學生逐步建立起系統的概念，并能夠在系統的層面上分析和調試，效果和影響遠遠超越了原先單純的單元式和驗證性實驗。

圖1 綜合創新性實驗教學系統的原理圖

圖2 綜合創新性實驗教學系統的實物圖

實驗系統從模塊化劃分為：射頻振蕩器、射頻放大器、射頻帶通濾波器、微帶天線、金屬柵網和射頻信號檢測顯示LED電路。系統模塊化設計的優點在于，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容，使系統設計的局部和整體有機結合；另一方面有利于電路的更新，分步驟地開發新的實驗模塊，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現圖像和聲音的傳輸，更具工程化和實用性。該實驗系統所設計的模塊如圖3所示。

圖3 綜合創新性實驗教學系統的模塊化電路

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設計，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5號電池實現，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設計，供電電壓為6V，其中偏置條件為5V、30mA，工作頻率885～945MHz范圍內，增益超過15 dB，回波損耗大于15dB，隔離度優于-20dB。圖3（c）為發夾線帶通濾波器，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，實測濾波器在中心頻率915MHz的插損為2.2dB，回損為21.5dB，由于板材損耗，在900～928MHz通帶內插損均能在4dB以內。圖3（d）為微帶八木天線，該內容將作為例子在實驗環節教學設計部分詳細闡述。針對以上各模塊的實驗內容，不僅僅包括單個模塊的設計和制作，還要學生學習和了解各種射頻相關儀器設備（如頻譜分析儀、矢量網絡分析儀等）的測試方法。

無線電波無處不在，看不見摸不著，學生學習過程中難以理解和掌握電磁波的傳播特性。文獻［9］采用白熾燈作為微波頻段電磁波接收指示器，實現對電磁波眼見為實的感知。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，其實物圖如圖3（e）所示。電磁波的傳播規律比較抽象，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［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，本文則通過實際加工金屬柵（包括水平柵 、豎直柵、網格柵）來進行實驗驗證。網格柵實物如圖3（f）所示，通過放入不同金屬柵（水平柵 、豎直柵、網格柵）前后，LED信號指示器顯示強弱的不同，以直觀化、形象化的方式，幫助學生加強理解和深入掌握課堂教學中關于電磁波極化特性等抽象內容。

2 綜合創新性實驗內容和教學方法的設計

實驗教學的主要任務是訓練學生完成一個采用先進科研手段進行射頻電路設計研究的全過程。實驗環節首先采用業界公認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）對給定指標的射頻電路和天線進行仿真優化，接著將仿真優化得到的電路模型設計成微帶版圖，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行測量及性能調試。實驗過程是一個不斷重復的過程，通過對前一次測試結果及誤差的分析，提出改進方案，再進行仿真優化和加工測試調試，最終得到滿意的結果。

所設計的綜合創新性實驗內容與實際的射頻通信工程密切相關，甚至直接是實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計。具體實驗內容由指導教師給出實驗材料和詳細設計指標，不限定電路形式和設計方法，由學生自由發揮，根據所學知識完成實驗任務。設計的理論知識都源于“電磁場理論”、“微波技術”、“射頻電路設計”和“天線與電波傳播”等課程，利用理論進行射頻微波器件設計只是完成了實驗的第一步。

下面以微帶八木天線實驗為例，進行教學方法的詳細介紹。

在實驗過程中，第一階段由學生利用課堂學習到的理論知識，以及查閱相關文獻［11-12］后獲取的相關知識，進行天線尺寸的設計及計算，此階段有助于學生深入掌握所學的基本理論和提高文獻檢索閱讀能力；第二階段學生進入仿真實驗室，利用正版ADS和HFSS軟件，進行微帶八木天線的計算機建模及電磁仿真，仿真模型如圖4所示，此階段有助于學生掌握射頻EDA電磁仿真軟件；第三階段學生進入加工實驗室，利用準備好的射頻實驗材料，如圖5所示，自己動手制作微帶八木天線的電路結構，利用雕刻刀和銅箔刻出天線結構，并粘貼到介質材料板上，此階段有助于學生掌握射頻電路的加工和版圖設計；第四階段學生進入測試實驗室對加工好的微帶八木天線進行電氣指標測試和調試，如圖6所示，此階段有助于學生掌握射頻測試設備的使用方法；第五階段進行工程驗證，將設計好的天線接到綜合創新性實驗教學系統，實現良好的信號收發。當然本實驗也易于推廣到其他的天線形式，如偶極天線、環天線等，實驗項目的設置，可以針對學生的能力和各專業要求的不同而進行不同的實驗方法設計，有較大的擴展余地。

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 結束語

本文提出了一套射頻微波與天線類課程實驗教學系統，以各單元模塊的設計、仿真、制作、測試為基礎逐步到系統集成上，將抽象的射頻微波信號的產生、變換、輻射和傳播特性，通過形象化的手段展示出來，有效地激發學生的學習興趣，全面地提高實踐教學質量。所開發的綜合創新性實驗教學系統，具有設計性實驗內容，在實驗過程中具有發揮學生創新性的環節，提高了學生的創新精神和動手能力。目前已經應用于電子信息科學與技術專業的“射頻電路設計”和“微波技術課程設計”的實驗教學中，取得了良好的教學效果，并受到學生的歡迎。

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