射頻微波與天線類課程綜合創新性實驗系統設計

摘 要：本課程綜合創新性實驗教學系統是為了激發學生實驗興趣并且提高實踐教學質量而提出的。闡述了該系統的設計思想、功能，并且說明了電路的組成。通過八木天線實驗，舉例說明了實驗教學方法。本系統設計思路清晰具體，具有模塊化的特點，內容更易于激發學生的創造力，培養學生的綜合能力，對學生的未來就業更有幫助。

關鍵詞：實驗系統；綜合創新性；模塊化設計；可視化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.112

許多高校為了培養射頻微波技術人才理論與實踐相結合的能力而開設了實驗教學。

1 綜合創新性實驗系統簡介與模塊化設計

現階段的本科實驗中，許多學生對于驗證性的實驗大多數都是死記硬背器材與步驟，由于對所學知識與未來工作實際用途缺乏聯系與認識，學生的積極性與主動性并不高。我們為了讓學生們在學習中提升興趣，鍛煉發現問題，解決問題的能力，鍛煉他們的研究能力，提出了本創新性實驗教學系統，將電磁波規律形象生動的呈現出來，讓電磁信號的產生和傳輸更加直觀。本系統主要有三部分，分別是發射、接受裝置與金屬柵網。圖1為實驗原理圖。

在此系統中，模塊化思路貫穿始終，通過基本的設計、制作、測試再逐漸進行綜合，其分析和調試均發生在系統層面上，提高了原先的效果。

射頻有源器件、無源器件和信號檢測電路均在電路模板上，局部與整體結合緊密，并有利于單獨更新與開發。這種方式后期可以將LED模塊更換為音視頻輸出工具，提高其實用性。

使用微帶八木電線作為例子，進入實驗教學設計環節。學生需要掌握各種相關設備的測試方法并且也要掌握單個模塊的設計制作。圖2為所使用的單元模塊。

由于人類肉眼無法看到電磁波，因此對其直觀認識有一定困難。我們借鑒了楊德強等人[1]的思路，通過LED燈將其具現化。電磁波極化的研究可以使電磁波的傳播規律具體，對自由空間中電磁波的傳播研究有所幫助。萬雙林等人[2]對不同線極化電磁波在無限長的窄縫和孔縫中的傳播特性進行了理論分析，本文通過實際加工進行了驗證，LED燈可以顯示強弱變化，幫助學生的理解。

2 綜合創新性實驗內容和教學方法的設計

使學生掌握用先進科研手段設計研究射頻電路是實驗教學的主要任務。首先采用仿真軟件ADS（advanced design system）和HFSS（high frequency structure simulator）仿真優化指定指標的射頻電路和天線，隨后得到電路模型的微帶版圖并加工制作微帶電路板，最后測量調試。通過不斷的重復試驗與結果分析，進行不斷地調試，得到最終結果。

該實驗內容緊密結合了實際工程，所采用的許多器件直接是實際工程中的。由教師下達指標，根據實驗材料自由設計，完成實驗。理論知識均來自所學課程。

具體以微帶八木天線為例。首先，學生需要利用所學理論知識以及文獻檢索[3，4]內容對天線尺寸進行設計計算，使學生理論基礎更加扎實并鍛煉文獻檢索與閱讀能力；隨后利用軟件進行計算機建模和仿真，本部分可以促進學生掌握軟件；接著讓學生自己動手制作電路結構，天線使用雕刻刀和銅箔制作并粘貼至材料版上，鍛煉學生制作能力；然后對其進行分析調試，有助于掌握測試方法；最后介入系統，實現天線功能。本實驗靈活多變，易于推廣到其他實驗設計上。

3 結語

本文所提出的實驗教學系統對于激發學生的學習興趣，提高教學質量有著顯著的效果。形象化的展示了射頻微波信號的各種特性，展示了設計、仿真、制作與測試等單元模塊，并以此為基礎循序漸進到系統集成上。本系統的設計環節可以激發學生的創新性，提高學生的動手能力。在實驗教學中取得了良好的反響。

參考文獻：

[1]楊德強，潘錦，陳波.電磁波教學創新實驗[J].實驗室研究與探索，2009，28（04）：253-255.

[2]萬雙林，劉培國，何建國.金屬柵網對線極化電磁波的屏蔽效能研究[J].安全與電磁兼容，2010（02）：66-68.

[3]倪國旗，張濤，倪圍等.一種微帶準八木天線的改進設計[J].微波學報，2013，29（01）：51-54.

[4]于臻，冉小英.一種參數可調的八木天線的設計[J].實驗室研究與探索，2012，31（07）：289-292.

作者簡介：張忠輝（1980-），男，本科，助理工程師，從事微波射頻方面的研究。