射頻微波與天線類課程綜合創(chuàng)新性實驗系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：本課程綜合創(chuàng)新性實驗教學(xué)系統(tǒng)是為了激發(fā)學(xué)生實驗興趣并且提高實踐教學(xué)質(zhì)量而提出的。闡述了該系統(tǒng)的設(shè)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(xué)方法。本系統(tǒng)設(shè)計思路清晰具體，具有模塊化的特點，內(nèi)容更易于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，對學(xué)生的未來就業(yè)更有幫助。

關(guān)鍵詞：實驗系統(tǒng)；綜合創(chuàng)新性；模塊化設(shè)計；可視化

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

許多高校為了培養(yǎng)射頻微波技術(shù)人才理論與實踐相結(jié)合的能力而開設(shè)了實驗教學(xué)。

1 綜合創(chuàng)新性實驗系統(tǒng)簡介與模塊化設(shè)計

現(xiàn)階段的本科實驗中，許多學(xué)生對于驗證性的實驗大多數(shù)都是死記硬背器材與步驟，由于對所學(xué)知識與未來工作實際用途缺乏聯(lián)系與認識，學(xué)生的積極性與主動性并不高。我們?yōu)榱俗寣W(xué)生們在學(xué)習(xí)中提升興趣，鍛煉發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力，鍛煉他們的研究能力，提出了本創(chuàng)新性實驗教學(xué)系統(tǒng)，將電磁波規(guī)律形象生動的呈現(xiàn)出來，讓電磁信號的產(chǎn)生和傳輸更加直觀。本系統(tǒng)主要有三部分，分別是發(fā)射、接受裝置與金屬柵網(wǎng)。圖1為實驗原理圖。

在此系統(tǒng)中，模塊化思路貫穿始終，通過基本的設(shè)計、制作、測試再逐漸進行綜合，其分析和調(diào)試均發(fā)生在系統(tǒng)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(jié)合緊密，并有利于單獨更新與開發(fā)。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(xué)設(shè)計環(huán)節(jié)。學(xué)生需要掌握各種相關(guān)設(shè)備的測試方法并且也要掌握單個模塊的設(shè)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(xiàn)化。電磁波極化的研究可以使電磁波的傳播規(guī)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(xué)生的理解。

2 綜合創(chuàng)新性實驗內(nèi)容和教學(xué)方法的設(shè)計

使學(xué)生掌握用先進科研手段設(shè)計研究射頻電路是實驗教學(xué)的主要任務(wù)。首先采用仿真軟件ADS（advanced design system）和HFSS（high frequency structure simulator）仿真優(yōu)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(diào)試。通過不斷的重復(fù)試驗與結(jié)果分析，進行不斷地調(diào)試，得到最終結(jié)果。

該實驗內(nèi)容緊密結(jié)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(jù)實驗材料自由設(shè)計，完成實驗。理論知識均來自所學(xué)課程。

具體以微帶八木天線為例。首先，學(xué)生需要利用所學(xué)理論知識以及文獻檢索[3，4]內(nèi)容對天線尺寸進行設(shè)計計算，使學(xué)生理論基礎(chǔ)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(xué)生掌握軟件；接著讓學(xué)生自己動手制作電路結(jié)構(gòu)，天線使用雕刻刀和銅箔制作并粘貼至材料版上，鍛煉學(xué)生制作能力；然后對其進行分析調(diào)試，有助于掌握測試方法；最后介入系統(tǒng)，實現(xiàn)天線功能。本實驗靈活多變，易于推廣到其他實驗設(shè)計上。

3 結(jié)語

本文所提出的實驗教學(xué)系統(tǒng)對于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)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(shè)計、仿真、制作與測試等單元模塊，并以此為基礎(chǔ)循序漸進到系統(tǒng)集成上。本系統(tǒng)的設(shè)計環(huán)節(jié)可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性，提高學(xué)生的動手能力。在實驗教學(xué)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(xué)創(chuàng)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(wǎng)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(shè)計[J].微波學(xué)報，2013，29（01）：51-54.

[4]于臻，冉小英.一種參數(shù)可調(diào)的八木天線的設(shè)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。