房少軍，傅世強(qiáng)，李蟬娟

(大連海事大學(xué) 國家級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，遼寧 大連 116026)

創(chuàng)新設(shè)計(jì)性天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探討

房少軍，傅世強(qiáng)，李蟬娟

(大連海事大學(xué) 國家級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，遼寧 大連 116026)

文中分析了天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的原因，提出了一種開展創(chuàng)新設(shè)計(jì)性天線實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革方案。較詳細(xì)地介紹了實(shí)驗(yàn)過程中的設(shè)計(jì)、仿真、制作、測(cè)試等各個(gè)環(huán)節(jié)，并討論了實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，給出了實(shí)驗(yàn)成本。實(shí)踐表明，所提出的天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案可操作性強(qiáng)，具有良好的教學(xué)效果。

天線；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；設(shè)計(jì)；仿真；測(cè)試

天線的作用是完成電磁波和射頻信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，是無線通信、無線廣播、無線定位導(dǎo)航和RFID等系統(tǒng)中必不可少的單元。在無線技術(shù)飛速發(fā)展的形勢(shì)下，眾多國內(nèi)外企業(yè)均面臨著自主開發(fā)各種天線技術(shù)的需求。

天線工程師需要學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)理論、微波技術(shù)、天線與電波傳播等課程，而且這些課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)培養(yǎng)天線技術(shù)人才起著重要的作用。但目前這些課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)卻不如人意，絕大多數(shù)高校的天線實(shí)驗(yàn)僅限于使用儀器測(cè)量天線的特性，實(shí)驗(yàn)均是驗(yàn)證性的，設(shè)計(jì)方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容幾乎為零[1-3]。少數(shù)高校適應(yīng)市場(chǎng)需求，開設(shè)了天線仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，但缺乏實(shí)際動(dòng)手環(huán)節(jié)，其效果大打折扣[4-7]。

目前，天線實(shí)驗(yàn)中缺乏創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是不爭的事實(shí)，其原因主要包括：(1)天線測(cè)量儀器價(jià)格昂貴，很多高校資金不足，甚至開不出驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)；(2)天線加工制作成本高，學(xué)校沒有加工條件。雖然少數(shù)高校開設(shè)了基于微波介質(zhì)板的微帶天線仿真實(shí)驗(yàn)，但微帶天線的加工需要雕刻或者腐蝕，不能像電子線路實(shí)驗(yàn)?zāi)菢幼寣W(xué)生用面包板進(jìn)行設(shè)計(jì)、搭建電路并測(cè)試。因此，眾多高校不能為學(xué)生提供設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試的實(shí)踐環(huán)節(jié)。

以培養(yǎng)出合格的天線工程師和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)為教學(xué)目標(biāo)，有必要增加天線實(shí)驗(yàn)中的設(shè)計(jì)動(dòng)手環(huán)節(jié)。為此，我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)課的改革。

我們的思路是：(1)選擇足夠可靠和測(cè)量精度的國產(chǎn)低價(jià)格儀器；(2)設(shè)計(jì)一個(gè)微波介質(zhì)電路板，使其能夠重復(fù)使用，從而降低天線設(shè)計(jì)制作的成本；(3)實(shí)驗(yàn)中要有學(xué)生發(fā)揮的環(huán)節(jié)，從而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識(shí)。

1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)性天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路

創(chuàng)新設(shè)計(jì)性天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)的想法來源于科研工作的實(shí)踐。我們承擔(dān)并完成了許多基于微帶結(jié)構(gòu)的天線科研項(xiàng)目。在這些項(xiàng)目的研究過程中，需要反復(fù)在微波介質(zhì)板上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而我們的實(shí)驗(yàn)手段就是采用銅箔在微波介質(zhì)板上進(jìn)行粘貼。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了一個(gè)能夠反復(fù)使用的微波實(shí)驗(yàn)板，讓學(xué)生在這個(gè)微波實(shí)驗(yàn)板上制作各種微帶天線。

我們提出的創(chuàng)新設(shè)計(jì)性天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容就是設(shè)計(jì)各種微帶天線，也包括了天線饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)不僅僅是設(shè)計(jì)性的，而且還有學(xué)生自己可以自由發(fā)揮的環(huán)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)過程包括：理論設(shè)計(jì)、電磁仿真、制作和指標(biāo)測(cè)試。另外，還安排了工程驗(yàn)證的環(huán)節(jié)。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

基本的微帶天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)過程如下所述。

2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算

微帶天線設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)環(huán)節(jié)是計(jì)算如圖1所示的微帶天線尺寸。微帶天線輻射貼片的寬和長是根據(jù)以下公式計(jì)算的[8-9]。

(1)

(2)

式中：W為輻射貼片的寬度；L為輻射貼片的長度；f0為天線工作的中心頻率；c為光速；εr為微波介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。式中的εe和ΔL可根據(jù)下面的公式計(jì)算。

(3)

(4)

例如，選擇εr為2.65、厚度h為3mm的微波介質(zhì)材料，給定天線工作的中心頻率為1.48GHz，則可以計(jì)算出：W=75 mm，L=60 mm。

圖1 微帶天線結(jié)構(gòu)圖

2.2 電磁仿真

設(shè)計(jì)性天線實(shí)驗(yàn)的第二個(gè)環(huán)節(jié)是進(jìn)行電磁仿真。仿真工具采用Ansoft HFSS三維電磁仿真軟件。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在HFSS軟件中建立微帶天線仿真模型[10]。通過仿真會(huì)發(fā)現(xiàn)回波損耗指標(biāo)較差，在中心頻率1.48 GHz處，回波損耗不到4.5 dB，說明天線的輸入阻抗與饋源阻抗50 Ω沒有實(shí)現(xiàn)較好的匹配。圖2給出微帶天線輸入阻抗的仿真曲線?？梢钥吹剑谥行念l率1.48 GHz處天線的輸入阻抗為Zin=20.6+j42.5Ω。由于饋源阻抗為50Ω，需要設(shè)計(jì)一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)來提高技術(shù)指標(biāo)。匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)可以根據(jù)理論計(jì)算，也可采用微帶線匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行[11-12]。

圖2 微帶天線輸入阻抗的仿真曲線

圖3給出了加入匹配網(wǎng)絡(luò)后的微帶天線仿真模型。加入匹配后的微帶天線回波損耗仿真結(jié)果如圖4所示，由圖4可知，指標(biāo)達(dá)到了技術(shù)要求。

為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提倡學(xué)生在仿真環(huán)節(jié)嘗試幾種不同方式來實(shí)現(xiàn)匹配，例如串聯(lián)匹配、并聯(lián)匹配和雙短截線匹配等。另外，還可以嘗試采用不同形狀的貼片。學(xué)生通過比較不同方法獲得的技術(shù)指標(biāo)，會(huì)對(duì)射頻匹配技術(shù)有更深刻的認(rèn)識(shí)。

圖3 加匹配后的微帶天線仿真模型

圖4 加入匹配網(wǎng)絡(luò)后微帶天線回波損耗的仿真

2.3 微帶天線的制作

我們?yōu)槭止ぶ谱魑炀€準(zhǔn)備了手術(shù)刀、鋼尺(包括電子卡尺)、膠帶、雙面導(dǎo)電的銅箔或鋁箔，一個(gè)用于檢查電氣連接的萬用表。特別需要說明，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)微波介質(zhì)實(shí)驗(yàn)板。它是一個(gè)裝有射頻接頭的單面覆銅微波材料板(面積為180mm×200mm，相對(duì)介電常數(shù)εr=2.65，厚度h=3mm)，所設(shè)計(jì)的微帶天線就是在這個(gè)微波介質(zhì)實(shí)驗(yàn)板上實(shí)現(xiàn)。為降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，選用了國產(chǎn)微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀PNA3621作為測(cè)量儀器。

按照仿真給出的版圖，用手術(shù)刀在銅箔上裁割出相應(yīng)的圖案，并貼到已經(jīng)裝有接頭的微波介質(zhì)板上，用萬用表檢查連通情況，然后，就可以對(duì)制作出的微帶天線進(jìn)行測(cè)試了。

2.4 微帶天線的測(cè)試

將手工制作的微帶天線與測(cè)試儀器連接，測(cè)量微帶天線的駐波比(回波損耗)。如果實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果不一致，就需要對(duì)輻射貼片和匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修改。修改的方法是增大或減小輻射貼片的尺寸(可裁去或貼上一條銅箔)，同時(shí)對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)枝節(jié)長度進(jìn)行調(diào)整。圖5給出了最終調(diào)整完畢后微帶天線的駐波比實(shí)測(cè)曲線?？梢钥吹剑瑢?shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果具有良好的一致性，表明設(shè)計(jì)獲得了成功。

圖5 微帶天線駐波比實(shí)測(cè)曲線

3 實(shí)驗(yàn)成本核算

每個(gè)實(shí)驗(yàn)組每次實(shí)驗(yàn)消耗的材料為雙面導(dǎo)電銅箔5cm×15cm,價(jià)格約0.6元。

每個(gè)實(shí)驗(yàn)組每次使用的器具：手術(shù)刀一把(10元)、小鋼尺一把(3元)、電烙鐵一把(20元)、萬用表一臺(tái)(150元)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀一臺(tái)(4萬元)。因?yàn)椋總€(gè)實(shí)驗(yàn)組不會(huì)同時(shí)完成天線制作，所以，如果資金緊張，可以考慮五個(gè)實(shí)驗(yàn)組共用一臺(tái)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)束語

在國內(nèi)高校中，我們較早地開設(shè)了天線創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程包括了設(shè)計(jì)、仿真、制作和測(cè)試全部環(huán)節(jié)，取得了良好的教學(xué)效果。

實(shí)踐表明，提出的天線設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案是低成本和行之有效的，可提高學(xué)生的興趣并培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀價(jià)格相對(duì)高一點(diǎn)，若資金不足，可以考慮采用多組共用一臺(tái)的辦法解決。另外，在實(shí)驗(yàn)的操作中，學(xué)生使用手術(shù)刀有劃傷的可能，需要指導(dǎo)教師反復(fù)強(qiáng)調(diào)安全問題。

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Study for the Creative and Designed Experiment of Antenna Experiment Teaching

FANG Shaojun, FU Shiqiang, LI Chanjuan

(State Electrical and Electronic Experiment Teaching Demonstration Center, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

The reasons for lacking of creative and designed experiment in antenna experiment course is analyzed. And a reforming scheme—creative and designed experiment for antenna experiment teaching is proposed. The design, simulation, fabrication and measurement in the experiment are introduced in detail. The article also discusses the measured result, and gives the cost of the experiment. The practice shows the proposed scheme has very strong operability and obtained a good teaching result.

antenna; experiment teaching; design; simulation; measurement

2014-04-27；修改日期: 2014-10-02

遼寧省教育廳教改基金資助項(xiàng)目(遼教發(fā)[2012]130號(hào))；大連海事大學(xué)教改基金資助項(xiàng)目(2012Y11)。

房少軍，(1957-)，男，博士，教授，主要從事電磁場(chǎng)與微波技術(shù)方面的教學(xué)和科研工作。

G642.0；TN 015

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.024