電磁波測向教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

陳 波，楊德強(qiáng)，潘 錦，王志敏

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

電磁場與波課程教學(xué)中，天線的方向圖是重要參數(shù)之一［1］，天線教學(xué)在有些專業(yè)甚至列為單獨(dú)的課程［2］。然而，可以準(zhǔn)確測量天線參數(shù)的測試系統(tǒng)十分昂貴，一些高校開發(fā)了仿真和虛擬實(shí)驗(yàn)的方法［3－9］，也有一些學(xué)校開發(fā)出各類針對學(xué)生的簡易實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)［10－13］。這些實(shí)驗(yàn)對學(xué)生而言，可以理解方向圖的測量方法，但難以直觀理解參數(shù)的實(shí)際用途。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)解決了這一難題，學(xué)生可以自制測向天線，并利用天線方向圖進(jìn)行測向，查找和跟蹤目標(biāo)信號源的位置。該實(shí)驗(yàn)的開展，使學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣濃厚，參加實(shí)驗(yàn)的積極性很高，對天線參數(shù)的理解和掌握程度得到很大提高。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

天線跟蹤測向，類似于捉迷藏游戲，利用天線的方向性，尋找能發(fā)射無線電波的小型信號源（即發(fā)射機(jī)），在民用和軍事上中都有大量應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路，是在校園內(nèi)樹林、草地等自然環(huán)境中，事先隱藏好數(shù)個(gè)信號源，定時(shí)發(fā)出規(guī)定的信號。實(shí)驗(yàn)者手持場強(qiáng)儀和測向天線，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，測出隱蔽信號源的所在方位，采用徒步方式，迅速、準(zhǔn)確地尋找出這些信號源。

1.1 天線測向原理

利用天線方向圖測定發(fā)射電臺(tái)所在的方向，可以分為最大值測向和零值點(diǎn)測向2種方法。最大值測向可以利用具有單向方向圖的天線，當(dāng)測向天線最大值方向?qū)?zhǔn)目標(biāo)時(shí)，場強(qiáng)儀讀數(shù)最大，從而判斷出目標(biāo)的方向，接近目標(biāo)時(shí)，場強(qiáng)儀讀數(shù)進(jìn)一步增大，從而判斷出目標(biāo)的遠(yuǎn)近。

零值點(diǎn)測向利用如圖1所示的8字形方向圖，其中零值位置角度分辨率最高，有利于精確判斷信號來波方向，缺點(diǎn)是目標(biāo)可能來自相差180°的2個(gè)方向。但可以利用2個(gè)相距足夠遠(yuǎn)的測向點(diǎn)，2次確定發(fā)射電臺(tái)的方向。2個(gè)測向點(diǎn)到目標(biāo)之間可以確定2條直線，它們的交點(diǎn)則是信號源位置。

圖1 零值點(diǎn)測向原理

實(shí)際的測向行進(jìn)路線一般按照道路的走向前進(jìn)，如圖2所示，中途停頓進(jìn)行信號源方向判斷，可以同時(shí)記錄多個(gè)信號源的方向，并在地圖上標(biāo)識(shí)，到達(dá)第2個(gè)停頓點(diǎn)時(shí)，再次記錄這些信號源的方向，通過交叉定位，獲得信號源大致位置，然后迅速到達(dá)該區(qū)域?qū)ふ摇．?dāng)?shù)竭_(dá)信號源附近后，信號來波角度的判斷精度已不重要，零值點(diǎn)測向的效率變得十分低下，此時(shí)應(yīng)更換天線，采用最大值測向，大致判斷目標(biāo)方位，并結(jié)合觀察場強(qiáng)測試儀的讀數(shù)是否增強(qiáng)，從而判斷是否接近目標(biāo)，以加快搜索進(jìn)度。

圖2 中途測向方法示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由天線跟蹤測向裝置和目標(biāo)信號源組成。

天線跟蹤測向?qū)嶒?yàn)裝置如圖3所示。主要由場強(qiáng)測試儀、天線支撐桿和測向天線構(gòu)成，測向天線通過硬同軸電纜安裝于天線支撐桿頂部，經(jīng)一根1.5m長的軟同軸電纜連接到場強(qiáng)測試儀。天線支撐桿底部為鎖緊接頭，防止運(yùn)動(dòng)時(shí)電纜擺動(dòng)影響測試準(zhǔn)確性。支撐桿下部突起設(shè)計(jì)為手握部位，方便手握和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。硬同軸電纜長度為10cm，分為直線型和直角型2種，分別用于架設(shè)對稱天線和單方向性天線，可供實(shí)驗(yàn)教師根據(jù)情況靈活設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

圖3 跟蹤測向?qū)嶒?yàn)裝置示意圖

自制的目標(biāo)信號源如圖4所示，該信號源采用內(nèi)部自帶的充電電池供電，持續(xù)發(fā)射時(shí)間可以超過4h，足夠一次學(xué)生實(shí)驗(yàn)使用。信號源一體化程度高，外觀無指示燈和鮮艷色彩，表面通常為黑色或深綠色，便于隱蔽，內(nèi)部采用單片機(jī)控制的鎖相環(huán)，可以設(shè)置發(fā)射頻點(diǎn)、功率和發(fā)射周期等參數(shù)。為了方便學(xué)生實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行天線設(shè)計(jì)和制作，信號源設(shè)計(jì)的工作頻率為915 MHz～925MHz可調(diào)。在此頻段，天線尺寸較為適中，金屬材料取材容易且便于制作。

圖4 自制信號源

2 電磁波測向?qū)嶒?yàn)方案設(shè)計(jì)

選擇校園內(nèi)適合開展電磁波測向?qū)嶒?yàn)的安全區(qū)域，實(shí)驗(yàn)教師事先制作該區(qū)域的簡易地圖，提供給學(xué)生使用。實(shí)驗(yàn)前1h左右，在規(guī)定區(qū)域內(nèi)放置4～5個(gè)目標(biāo)信號源，設(shè)置為不同的發(fā)射頻率，每個(gè)信號源都有一個(gè)確定的編號，并記錄它們的藏匿位置和發(fā)射頻率等參數(shù)。目標(biāo)信號源可以隱藏于樹枝和草叢中，并做好偽裝工作，信號源附近放置一個(gè)與目標(biāo)信號源編號相同的印章，供學(xué)生找到后在實(shí)驗(yàn)表格上留證。

學(xué)生根據(jù)所學(xué)的天線知識(shí)，設(shè)計(jì)合適的測向天線，并使用銅絲等材料在實(shí)驗(yàn)室完成天線制作。測向天線一般應(yīng)包括單向和雙向2種。實(shí)驗(yàn)具體步驟如下：

（1）按照圖3所示，將制作完成的測向天線安裝于天線支撐桿頂部，并連接好與場強(qiáng)儀之間的高頻電纜；

（2）根據(jù)指導(dǎo)教師給出的藏匿信號源頻率，選擇其中一個(gè)，設(shè)置好場強(qiáng)儀的頻率范圍和幅度范圍；

（3）利用實(shí)驗(yàn)室的微波信號源，確定天線測向裝置可以正常接收信號，信號強(qiáng)度隨測向天線的對準(zhǔn)方向變化趨勢符合設(shè)計(jì)要求；

（4）熟悉實(shí)驗(yàn)用簡易地圖，迅速到達(dá)指定地點(diǎn)開始測向，先利用零值點(diǎn)測向，初步判斷信號源方位，接近目標(biāo)后，再使用最大值測向，直到發(fā)現(xiàn)第一個(gè)信號源后，在地圖上標(biāo)出藏匿位置，并用印章在地圖上蓋章；

（5）將場強(qiáng)儀更換為另一個(gè)信號源工作頻率，重復(fù)第4步，直到找完所有信號源為止；

（6）根據(jù)測向中遇到的具體問題和查找目標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)，分析其中的規(guī)律，總結(jié)出使用時(shí)間最短的尋找信號源的步驟和方法。

3 結(jié)束語

利用天線方向圖的原理設(shè)計(jì)的電磁波測向?qū)嶒?yàn)，可以在校園內(nèi)的室外樹林開闊場地進(jìn)行，也可以在教學(xué)樓內(nèi)開展，實(shí)驗(yàn)方法簡便易行，實(shí)驗(yàn)的競爭性和趣味性較強(qiáng)。學(xué)生通過親手制作測向天線，了解天線的方向圖特性，完成實(shí)際的測向跟蹤工程應(yīng)用，對幫助學(xué)生更好地理解天線理論十分有益。本實(shí)驗(yàn)方法適合通訊、電子信息工程等專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)電磁場與波、微波技術(shù)與天線等課程開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

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