王 云, 鄧洪波, 陳付昌, 涂治紅
(華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院,廣州 510640)
當(dāng)前,第5代移動(dòng)通信(5G)建設(shè)已全面鋪開(kāi),人們的生活與手機(jī)等無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備息息相關(guān)。射頻前端是各類(lèi)無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備必不可少的部分,射頻技術(shù)也日益成為當(dāng)今信息領(lǐng)域發(fā)展中的重點(diǎn)、熱點(diǎn)與難點(diǎn)。社會(huì)對(duì)射頻技術(shù)人才的需求近10年來(lái)持續(xù)快速發(fā)展,而相應(yīng)的創(chuàng)新型人才卻相對(duì)缺乏,因此,培養(yǎng)射頻技術(shù)高質(zhì)量的創(chuàng)新人才是國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)的迫切需要。
“射頻電路與天線(xiàn)”是我校本科專(zhuān)業(yè)信息工程、電子科學(xué)與技術(shù)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課,已被評(píng)選為國(guó)家級(jí)精品課程和國(guó)家級(jí)精品資源共享課,每年約有300名本科生修讀。教學(xué)水平居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。該課程自2007年起采用安泰信公司的RF3020射頻實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)[1],然后通過(guò)采用銅箔粘貼在單面介質(zhì)板的方法,讓學(xué)生全程自己動(dòng)手設(shè)計(jì)和制作射頻濾波器,開(kāi)出了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)[2]。目前該實(shí)驗(yàn)課程包含:基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性三層次教學(xué)內(nèi)容,能夠較好的配合理論教學(xué),幫助學(xué)生建立對(duì)射頻器件感性認(rèn)識(shí),學(xué)習(xí)基本射頻器件的設(shè)計(jì)方法、搭建簡(jiǎn)單的通信系統(tǒng)。但實(shí)驗(yàn)內(nèi)容仍然是以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主,設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目則過(guò)于傳統(tǒng),缺乏反映專(zhuān)業(yè)前沿性和先進(jìn)性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,學(xué)生無(wú)法接觸到新的科技成果,在培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面發(fā)揮的作用仍然有大幅度提高的空間。這同時(shí)也是國(guó)內(nèi)高校射頻微波實(shí)踐類(lèi)課程的一個(gè)共同的問(wèn)題。
遴選蘊(yùn)含著創(chuàng)新思想的科研成果,將之轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,讓學(xué)生有機(jī)會(huì)了解學(xué)科的前沿和創(chuàng)新的過(guò)程,體會(huì)創(chuàng)新的思維,這是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的必要手段[3-10]。因此,為了適應(yīng)21世紀(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)對(duì)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的巨大需求,配合學(xué)校構(gòu)建一流高校人才培養(yǎng)體系的目標(biāo),將教師的成熟科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行改造,開(kāi)發(fā)射頻電路探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——“基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)應(yīng)用的平面寬帶濾波器”,包含從確定研究?jī)?nèi)容、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、理論分析、軟件仿真到實(shí)驗(yàn)測(cè)試的與科研一致的完整過(guò)程,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。
與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中由教師提出設(shè)計(jì)題目和具體指標(biāo)不同,探索性實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容、解決方案均不能做太多限制,以利于學(xué)生發(fā)揮,但考慮到學(xué)時(shí)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件的限制,需要引導(dǎo)學(xué)生選擇研究?jī)?nèi)容,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。
確定研究?jī)?nèi)容是探索性實(shí)驗(yàn)的首要問(wèn)題,研究?jī)?nèi)容決定著實(shí)驗(yàn)的新穎性和實(shí)驗(yàn)的意義,甚至決定實(shí)驗(yàn)的成敗。教師的科研成果是對(duì)當(dāng)前的熱點(diǎn)問(wèn)題展開(kāi)討論研究,具有一定的理論價(jià)值和實(shí)際工程意義。從科學(xué)研究工作中提煉出能與學(xué)生已有的知識(shí)、能力緊密結(jié)合的實(shí)驗(yàn)專(zhuān)題,對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性發(fā)揮是大有裨益的。
由于第4代移動(dòng)通信(4G)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)、全球微波互聯(lián)接入(WiMAX)和衛(wèi)星導(dǎo)航等各種無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信技術(shù)正在不斷的革新和相互融合,能同時(shí)兼容多種通信標(biāo)準(zhǔn)并提供高質(zhì)量通信的寬帶通信系統(tǒng)成為未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展的必然,作為通信系統(tǒng)中的重要器件,寬帶濾波器的研究顯得愈發(fā)重要。在射頻電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,引入授課教師關(guān)于寬帶濾波器的最新科研成果,結(jié)合教師參與的“超寬帶濾波器綜合理論與新型結(jié)構(gòu)研究”國(guó)家自然科學(xué)基金科研項(xiàng)目,提出目前待解決的問(wèn)題如:提高小型化、選擇性等。經(jīng)過(guò)與學(xué)生的討論,選擇“基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)應(yīng)用的平面寬帶濾波器”作為研究?jī)?nèi)容。
預(yù)期成果:設(shè)計(jì)、加工一款寬帶濾波器。具體指標(biāo):中心頻率2.4 GHz,相對(duì)帶寬大于30%,帶內(nèi)插損小于3 dB,回波損耗大于10 dB。在滿(mǎn)足以上指標(biāo)的前提下,鼓勵(lì)學(xué)生去尋找更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu),達(dá)到更高的性能,諸如:尺寸更小、插損更小、帶寬更寬、通帶選擇性更好、成本更低等。
這個(gè)研究?jī)?nèi)容是由課程組的科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化而來(lái),結(jié)合目前無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)多種通信標(biāo)準(zhǔn)共存的實(shí)際現(xiàn)狀,基于大家每天都在使用的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng),選取寬帶通信作為切入點(diǎn),使同學(xué)們體會(huì)到學(xué)有所用,學(xué)以致用,激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。由于濾波器的機(jī)理相對(duì)簡(jiǎn)單,易于被本科生接受,選取射頻濾波器作為研究?jī)?nèi)容。通過(guò)研究達(dá)到基本指標(biāo)雖然不難,想要再進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)性能則需要付出非常多的努力,既避免了學(xué)生因?yàn)椴荒芡瓿蓪?shí)驗(yàn)帶來(lái)的消極情緒,也給有能力的學(xué)生提供了發(fā)揮創(chuàng)造力的空間,達(dá)到了因材施教的目的。此外,平面結(jié)構(gòu)易于加工,便于在實(shí)施過(guò)程中控制成本。綜上所述,這個(gè)題目兼顧科學(xué)性、創(chuàng)造性、可行性以及實(shí)用性,為探索性實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展打下了基礎(chǔ)。
確立題目之后,詳細(xì)閱讀大量參考文獻(xiàn)資料,依托教師的科研成果,根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵髞?lái)引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。
(1) 提出設(shè)計(jì)思路。由于枝節(jié)線(xiàn)加載的多模諧振器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,諧振特性容易控制,被廣泛應(yīng)用于寬帶濾波器設(shè)計(jì)中[11-13]。本課題組在該方面已經(jīng)取得了一定的研究成果,近5年發(fā)表該領(lǐng)域的科技論文20余篇。
以最簡(jiǎn)單的開(kāi)路枝節(jié)線(xiàn)加載諧振器為例,該結(jié)構(gòu)包含一個(gè)普通的半波長(zhǎng)諧振器、一根開(kāi)路枝節(jié)線(xiàn),如圖1(a)所示,其中Z01,L1,Z02,L2分別表示半波長(zhǎng)諧振器和開(kāi)路線(xiàn)的特性阻抗和長(zhǎng)度,用奇偶模法法來(lái)分析,奇模、偶模的等效模型如圖1 (b)、(c)所示,可以推導(dǎo)出[14]:
奇模諧振頻率為:
(1)
式中:n=1,2,…,c為真空中的光速;εeff是基片的有效介電常數(shù)。從上式可以發(fā)現(xiàn),奇模諧振頻率與開(kāi)路線(xiàn)無(wú)關(guān)。
在Z01=Z03條件下的偶模諧振頻率可計(jì)算為:
(2)
不難發(fā)現(xiàn),偶模諧振頻率由長(zhǎng)度L1、L2及阻抗比Z01/Z03(當(dāng)Z01≠Z03)決定。同時(shí),對(duì)于相同的n(L2 因此通過(guò)調(diào)節(jié)L1、L2的長(zhǎng)度,可獨(dú)立地控制奇模、偶模諧振頻率,實(shí)現(xiàn)雙頻特性,而通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可以將兩個(gè)諧振頻率靠近,即可實(shí)現(xiàn)寬帶特性。 (a) 開(kāi)路枝節(jié)線(xiàn)加載諧振器結(jié)構(gòu) (b) 奇模結(jié)構(gòu) (c) 偶模結(jié)構(gòu) 圖1 枝節(jié)線(xiàn)加載的多模諧振器及其奇、偶模結(jié)構(gòu) 通過(guò)該方法來(lái)設(shè)計(jì)寬帶濾波器,機(jī)理緊扣“射頻電路與天線(xiàn)”課程中的“傳輸線(xiàn)理論”和“無(wú)源器件濾波器”知識(shí),再結(jié)合所學(xué)的“耦合線(xiàn)理論”進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì),采用平面微帶結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),加工成本低。因此引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用該思想來(lái)設(shè)計(jì)寬帶濾波器,鼓勵(lì)學(xué)生提出新的設(shè)計(jì)思路,并對(duì)如何進(jìn)一步改進(jìn)濾波器的特性提出自己的想法。 (2) 制定具體實(shí)驗(yàn)步驟。首先設(shè)計(jì)濾波器結(jié)構(gòu)的初值,接著利用電磁仿真軟件幫助驗(yàn)證設(shè)計(jì),電路形式采用常用的微帶線(xiàn)結(jié)構(gòu),微帶板材選用價(jià)格低廉的聚四氟乙烯板,其介電常數(shù)是2.55,介質(zhì)厚度0.8 mm,然后采用低成本的腐蝕技術(shù)加工出微帶濾波器,最后用網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)測(cè)量濾波器特性。 提出了設(shè)計(jì)思路,確定了實(shí)驗(yàn)材料和工藝方法,制定了實(shí)驗(yàn)步驟,即初步確定了實(shí)驗(yàn)方案。該實(shí)驗(yàn)方案采用了最新的科研成果作為基本設(shè)計(jì)思路,學(xué)生在實(shí)際研究中可進(jìn)一步提出自己的想法,有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。實(shí)驗(yàn)方案借助電磁仿真軟件,軟硬結(jié)合,避免了復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算,然后借助仿真工具去設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā),完成面向?qū)嶋H工程需要的完整的電路分析與設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中補(bǔ)充知識(shí),邊做邊學(xué),培養(yǎng)和提高學(xué)生的研究創(chuàng)新能力。此外,該方案無(wú)論是材料成本、加工成本、測(cè)量成本都很低廉,避免了高成本給射頻實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)的限制。 這個(gè)階段是探索性實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵階段,是實(shí)驗(yàn)的主體階段。該部分將詳細(xì)說(shuō)明如何具體實(shí)施探索性實(shí)驗(yàn)。 具體實(shí)施步驟可分為以下3步: (1) 根據(jù)理論值設(shè)計(jì)寬帶濾波器初值。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo),采用“枝節(jié)加載多模諧振器”來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶濾波器的設(shè)計(jì)思路,按照提供的板材參數(shù),結(jié)合“射頻電路與天線(xiàn)”課程中“無(wú)源器件濾波器”的內(nèi)容,利用微帶設(shè)計(jì)公式,可得到每段傳輸線(xiàn)的對(duì)應(yīng)的特性阻抗值及長(zhǎng)度,設(shè)計(jì)出寬帶濾波器結(jié)構(gòu)初始值。 (2) 采用ZelandIE3D仿真優(yōu)化微帶濾波器。為了降低成本、縮短電路的研制周期,使用微波電磁仿真軟件是射頻電路系列課程實(shí)驗(yàn)建設(shè)新的發(fā)展方向和趨勢(shì)。理論計(jì)算往往不考慮微帶的不連續(xù)性,使用微波電磁仿真軟件則可以避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算,便于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容做更加詳細(xì)的探究。學(xué)生可以通過(guò)仿真的方式調(diào)整射頻電路與器件的各種參數(shù),使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過(guò)一系列的仿真實(shí)驗(yàn),不僅可以讓學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)微波電路的理解,而且可以讓學(xué)生掌握進(jìn)行自主研究的方法,為進(jìn)一步深造奠定基礎(chǔ)。 在實(shí)驗(yàn)中選用Zeland IE3D軟件作為仿真工具。IE3D是一種基于矩量法的電磁場(chǎng)仿真工具, 可以用于分析設(shè)計(jì)微波/毫米波集成電路、射頻印制板電路、微帶天線(xiàn)等。在該部分的仿真設(shè)計(jì)中,學(xué)生可以通過(guò)調(diào)整濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù),觀察濾波器性能產(chǎn)生的變化,加深對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器原理的理解,進(jìn)而提出新的改進(jìn)方法,有所創(chuàng)新。 圖2所示為一名本科生通過(guò)IE3D軟件仿真優(yōu)化后的的微帶電路,在滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,為了改善該濾波器的性能,在文獻(xiàn)[13]的基礎(chǔ)上,對(duì)濾波器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索性改進(jìn),巧妙地引入了不均勻阻抗枝節(jié),提高了矩形度,增大了帶寬,并對(duì)濾波器的枝節(jié)做了彎折,縮小了濾波器的尺寸。 圖2 IE3D仿真圖 (3) 制作和測(cè)試微帶濾波器。選取個(gè)人所做的仿真結(jié)果性能最優(yōu)的濾波器結(jié)構(gòu),采用腐蝕技術(shù)進(jìn)行加工,使用 網(wǎng)絡(luò)分析儀[15]測(cè)試該濾波器。圖3所示為該本科生腐蝕加工出的寬帶濾波器實(shí)物的圖片。圖4所示為仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果的比較,吻合良好,其誤差主要是由基片損耗及測(cè)量誤差所致。由圖4的測(cè)量結(jié)果可以看出,通帶具有3個(gè)模式,帶內(nèi)的回波損耗大于13 dB,帶內(nèi)最小插入損耗為1 dB,最低截止頻率為1.85 GHz,最高截止頻率2.97 GHz,與文獻(xiàn)[13]相比,通過(guò)不均勻阻抗枝節(jié)設(shè)計(jì),通帶選擇性得到了改善,濾波器3 dB相對(duì)帶寬從28%增長(zhǎng)至46.67%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于預(yù)期指標(biāo),體現(xiàn)了該生創(chuàng)新能力的提高。 圖3 腐蝕制作的濾波器 圖4 寬帶濾波器仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果的比較 通過(guò)該環(huán)節(jié)的親力親為,讓學(xué)生親手把自己的設(shè)計(jì)結(jié)果轉(zhuǎn)為為實(shí)際樣品,最大限度激發(fā)了學(xué)生主觀能動(dòng)性,不僅提高了學(xué)生的動(dòng)手能力,鍛煉了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,并且在主觀意識(shí)上使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)有了新的認(rèn)識(shí)。例如,有些同學(xué)測(cè)試以后發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果不相吻合,需要耐心對(duì)自己的仿真建模進(jìn)行仔細(xì)驗(yàn)證,肉眼觀察樣品是否存在腐蝕不干凈導(dǎo)致短路,使用萬(wàn)用表檢查加工樣品是否有虛焊,最后確認(rèn)測(cè)試時(shí)接頭是否松動(dòng),校準(zhǔn)過(guò)程有無(wú)遺漏重要環(huán)節(jié)。對(duì)這些細(xì)節(jié)一一檢查后,找到問(wèn)題所在,然后對(duì)其進(jìn)行修正,在這個(gè)反復(fù)檢查——修正——重新測(cè)量、比對(duì)的過(guò)程中,鍛煉了學(xué)生解決問(wèn)題的能力。同時(shí)學(xué)生認(rèn)識(shí)到由理論仿真到實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,一個(gè)小小數(shù)據(jù),一次漫不經(jīng)心的焊接,一次不合規(guī)定的實(shí)驗(yàn)操作,均會(huì)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)重大錯(cuò)誤,嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)損壞實(shí)驗(yàn)儀器,造成不可挽回的損失,因此學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)謹(jǐn)度的重視上升到了一個(gè)新的高度,在以后進(jìn)行的所有實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生一定會(huì)更加集中注意力,嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程,也對(duì)學(xué)生將來(lái)樹(shù)立嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作態(tài)度起到潛移默化的作用。 綜上所述,經(jīng)過(guò)這個(gè)從理論到實(shí)踐,軟硬結(jié)合的研究過(guò)程,加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)射頻電路各種概念和理論的認(rèn)識(shí)和理解,掌握了電磁仿真軟件的使用,同時(shí)還掌握了射頻濾波器的基本設(shè)計(jì)思想,使本科生真正體驗(yàn)了一次科研的過(guò)程,有助于科研能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。 本文提出的探索性實(shí)驗(yàn),立足學(xué)科前沿,將教師的科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容,讓學(xué)生主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié),包括方案設(shè)計(jì)、仿真調(diào)試、加工測(cè)量等,不僅能夠加強(qiáng)學(xué)生對(duì)射頻電路理論的認(rèn)識(shí)和理解,提高學(xué)生的實(shí)際工程能力,更重要的是通過(guò)這個(gè)與科研過(guò)程一致的實(shí)施程序,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和探索精神,又提高了學(xué)生的自主研究、學(xué)習(xí)和實(shí)際科研能力,為學(xué)生今后從事射頻專(zhuān)業(yè)的研究工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該探索性實(shí)驗(yàn)一經(jīng)開(kāi)設(shè)就受到學(xué)生喜愛(ài),在轉(zhuǎn)化科研成果到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容方面,為射頻微波類(lèi)實(shí)踐課程提供了一個(gè)良好的示范。 參考文獻(xiàn)(References): [1] 王 云,謝澤明.射頻實(shí)驗(yàn)室設(shè)備配置方案設(shè)計(jì)[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備, 2009(17):113-115. 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3 結(jié) 語(yǔ)