引向天線教學實驗系統的設計

廖 欣 何 寧 李小明

（桂林電子科技大學信息與科技學院，廣西桂林541004）

電波傳播與天線是通信、電子類專業本科學生的一門重要的專業課程，通過課程的學習，使學生認識近地空間電磁波傳播物理機制和傳播特點，并能針對性地進行典型天線的工程設計方法。課程具有較強的工程性，與配套的天線實驗相結合，能充分培養學生分析和解決實際問題的能力。

1 實驗基本原理

天線項目的測試，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備，但這些設備往往價格比較昂貴，如果要成套配置和大量裝備，更是需要大量經費，不利于本科教學中天線實驗項目的開展。一些學校甚至開始采用虛擬儀器的方法來模擬天線實驗，采用這樣的實驗教學方法，無法鍛煉學生的實際動手的機會。

鑒于這種情況，可以通過設計一套高靈敏度的天線放大器，制作一種結構簡單、調整方便的引向天線，使用這套實驗裝置，不僅可以節省實驗經費的投入，同時，在實驗過程中，通過學生親自動手對引向天線進行設計、組裝和調整，還進一步提高了學生的學習興趣，加深對天線性能的了解，可以培養和提高本科學生在天線調試和測試等方面的動手能力，加強對天線實際測試方法的了解和掌握。

在進行實驗裝置設計時，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，因為其抗干擾較強、作用距離遠，構造簡單，架設方便，對測向、遠距離通信效果比較好。設計時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實驗系統的結構比較小巧，方便在室外（自由空間）進行測試。

2 教學實驗裝置組成和設計

根據天線的實驗測試項目，實驗系統主要有射頻信號源、發射天線、接收天線轉臺、引向天線、天線放大器和指示器部分等，如圖1所示。

2.1 引向天線的設計制作

根據系統的工作頻率500MHz，可以計算出其工作波長為λ=0.6米。為便于根據實驗內容進行調整，設計了一套有別于傳統上結構、尺寸固定的引向天線系統。振子選擇為可調節長度的振子并固定在方塊膠木上，同時，采用方形塑料型材作天線固定架，并在上面開細長槽，以便靈活地調節振子之間的間距，在天線支撐架還具有垂直方向旋轉的裝置和刻度盤。引向天線的整體結構設計示意如圖2。

2.2 天線放大器的設計

天線放大器實際上是一種高頻寬帶低噪聲放大器，在本設計中采用了三級放大，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：工作頻帶100～500MHz，輸入信號動態范圍為：-60dBm～20dBm，噪聲系數（NF）小于 0.3dB，帶內增益不小于45dB，帶內增益平坦度±0.5dB以內，輸入輸出駐波比小于1.8。電路設計時選擇了適當的電路形式，對輸入端和輸出端進行了阻抗匹配。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，適合于降低實驗系統的設備投入費用，節省成本；另外一路則直接輸出天線信號強度，用頻譜儀直觀地進行測量。

3 實驗教學項目設置和實驗方法

天線的主要性能指標有：輻射方向圖、天線增益和方向性系數、極化方式等，這套實驗裝置可以滿足這些指標開展相應的測試項目。

3.1 天線的極化實驗

電場、磁場的方向通常都是隨時間而變化，為了說明波的電場強度的取向，采用了波的極化這個概念。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，收發天線的極化狀態和方式必須一致時，才能有效地接收到信號，否則將使接收信號質量變壞，甚至完全收不到信號，這種現象稱為極化失配。

天線實驗中，由于本科學生空間認識能力的差異和對極化概念理解的偏差，常常有學生將兩個處于同一平面內組成的收發系統，誤認為是極化失配。為了進一步幫助學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不同的角度，通過測量其在不同角度位置上的接受信號強度的變化，驗證和理解天線的極化。

按照圖1連接實驗裝置，將收、發天線等高水平架設，調整接收天線水平旋轉角度，保證兩個天線極化狀態相同且最大輻射方向對準，記錄數據；按照一定偏轉角度垂直旋轉接收天線，并最終旋轉到90°（即使之與地面垂直）。通過實驗，可以使學生在建立一定的空間概念的基礎上，測量天線的極化狀態對接收效果的影響，加深對極化這一重要概念的理論認識。

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（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相互垂直的平面方向圖（H面和E面）來表示。

實驗采用實際工作中經常采用的旋轉天線法，測量五元引向天線的H面方向圖，調整引向天線振子數量，組成一個五元引向天線，并將引向天線上的振子在天線固定架上移動，按照要求，調整好各振子的間距，調整完成后，必須用螺釘頂緊，防止在實驗過程中振子位置發生變動。水平旋轉接收天線一周，每隔一定的角度（一般為3°～5°）記錄指示器的讀數，按照記錄結果將數據進行歸一化處理，繪制引向天線H面方向圖。學生可以在繪制的H面方向圖上，測量出主瓣寬度（即場強相對值為0.707的兩個點之間的夾角），并與理論計算值進行比較。

該實驗項目不僅可以讓學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，通過將實驗測試結果與理論計算結果進行分析對比，進一步加深對主瓣寬度、方向系數等天線電參數概念的認識。

3.3 引向天線的設計

在實驗教學中，可以開展進行一些設計性實驗項目。例如，給定學生一些天線的參數和指標，讓學生按照這些技術指標進行理論計算并設計引向天線，動手進行調試。通過實際測試，觀察實際測試結果與理論計算值之間的差異，按照實際測量結果，重新調整引向天線結構尺寸，如反射器、引向器長度以及各振子間距、有源振子的長度等，使引向天線的各項參數和指標達到要求。通過實驗，不僅可以增強學生的實際動手能力，還進一步加強對天線設計、測試和調整整個過程的了解。

3.4 驗證天線結構變換對其性能的影響

通過實驗測量，了解引向天線的振子位置、數量、幾何尺寸與各電參數之間的關系。

①由一個無源振子和有源振子構成一個二元引向天線，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以一個無源振子作反射器、一個無源振子作引向器和一個有源振子構成三元引向天線并測量其方向圖；以一個無源振子作反射器、三個無源振子作引向器和一個有源振子構成五元引向天線，測量其方向圖，通過改變無源振子的數量，研究振子數量與天線方向圖的關系。

4 結論

天線實驗系統通過設計引向天線的結構，使其調整更加方便、靈活，并與設計的符合性能要求的天線放大器配合，可以根據各個學校實驗成本的具體情況，按照不同配置的測試儀器進行實驗，開展多個驗證性、設計性的天線實驗項目。

配合天線實驗系統開展的天線實驗項目，通過在實驗過程中學生的實際動手設計、調整和測試，使學生將理論知識與工程實踐結合在一起，不僅鞏固、深化了學生的理論知識，還可以培養其實際工程經驗。

［1］蘇光杰.高靈敏度天線實驗系統[J].桂林電子工業學院學報,2001,21(4):69-71.

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

［3］康行健.天線原理與設計[M].北京:北京理工大學出版社,1993.