綜合探究型微波技術實驗教學的研究

李嬋娟, 滕君華, 傅世強, 李 超, 房少軍

(大連海事大學 國家級電工電子實驗教學示范中心, 遼寧 大連 116026)

傳統的實驗內容大多以驗證性和演示性實驗為主,尤其是微波天線類課程相關的實驗,由于種種原因仍無法開設出完整的課程實驗,因此改革方向逐漸由演示實驗轉向虛擬仿真實驗。雖然虛擬仿真實驗能夠解決一定的問題,但在學生創新能力的提高效果方面,單一的虛擬仿真實驗,卻遠遠不及更加貼近工程化的實物實驗。目前國內部分高校針對本科高年級學生，積極開展了微波天線類的綜合型實驗,該類實驗根據給定的技術指標和實驗要求,在系統級的實驗箱上,學生針對每個模塊功能進行仿真設計,最終完成系統的調試。雖然具有一定的整合性和設計性,但是在創新性和探究性方面仍略有欠缺。探究性實驗教學,是教師引導學生去研究和探索的過程式教學方法,通過這種教學方法,培養學生的科學探索和創新能力[1-2]。近年來,微波能量收集是一個熱門的研究方向[3-4],本文以微波輸電的智能無線數據采集系統實驗為例,從創新性和探究性角度出發,針對微波技術實驗課程,給出了一種綜合探究型的實驗方案。

1 實驗系統組成及原理

設計的基于微波輸電的智能無線數據采集系統,整體結構如圖1所示,主要由前端天線、整流電路、單片機傳感器模塊以及數據回傳模塊構成。主要通過微波功率發生器向數據采集系統發射微波信號,由前端天線接收的微波能量經過整流電路轉換為直流電,供給單片機工作,進而通過溫度傳感器獲取溫度數據。可設定單片機的工作模式,使其周期性地向PC端傳輸數據。所傳數據在接收PC端顯示出來,實現對測量數據的讀取工作。

圖1 基于微波輸電的智能無線節點數據采集系統框圖

1.1 實驗系統前端接收天線的設計

為了能夠接收空間4 G、WIFI、RFID等頻段電磁波,需要設計一款能在0.8 GHz～2.7 GHz頻段工作的天線,并具有良好的方向性和增益。由于對數周期天線具有頻帶寬、增益高、方向性強等特性,因此可以將其作為系統的接收天線?？紤]到天線的小型化和制作簡易化,可以采用微帶的形式來制作天線,介質基板采用相對介電常數為4.4、厚度為1.6 mm的FR4板。

根據方向性系數與比例因子σ和間隔因子τ的關系,選定σ為0.88,τ為0.16。根據對數周期天線設計原理計算得出天線最長振子長度為104.8 mm,最大振子間距為33.5 mm,最長振子的寬度為3.2 mm,振子總數為15。然后根據上述得到的天線的初始結構尺寸,在電磁仿真軟件HFSS14.0中建立天線仿真模型,接著對不同最大振子長度進行S11曲線仿真對比,最終得出,振子長度取值120 mm時在整個工作頻段上S11曲線均小于-15 dB,如圖2所示,能夠實現對數周期天線在寬頻帶上有著比較高的回波損耗。

圖2 微帶對數周期天線的S11曲線

在天線方向特性上,中心頻率為1.8 GHz的輻射方向，如圖3所示,可見其方向特性較好。同時在點頻0.95 GHz、1.8 GHz、2.4 GHz處的增益分別達到了6.14 dBi、7.29 dBi、7.0 dBi,在所設計的寬頻帶上實現了較好的增益。

圖3 天線在1.8GHz處的輻射方向圖

1.2 寬帶整流電路設計

根據系統要求,設計的整流電路需要將天線接收的微波能量轉化為直流電,且具有較高的整流效率。整流電路一般包括輸入濾波器、整流二極管、輸出濾波器、阻抗匹配電路以及負載。由于所需帶寬比較寬,所以L型和T型匹配網絡不再適用,而是采用上下2個支路,分別實現0.8 GHz～1.6 GHz和1.6 GHz～2.7 GHz的匹配。每個支路的匹配均采用4節切比雪夫匹配變換器實現寬帶,且最后一節微帶線用電感來代替。設計好電路后,利用ADS仿真軟件搭建基本電路,然后進行仿真優化測試。

為了給單片機MSP430供電,要求設計的整流電路要將接收到的電磁信號通過整流,能夠輸出1.8 V～3.6 V的電壓。因此可選擇HSMS286c倍壓整流二極管。輸入濾波器采用6階阻抗階躍低通濾波器,其截止頻率為2.7 GHz,在5 GHz的插入損耗至少為20 dB,輸入輸出阻抗均為50 Ω。高阻抗定為113 Ω,對應線寬為0.5 mm。低阻抗定為22 Ω,對應線寬為10 mm。通過調試優化,然后進行版圖聯合仿真。仿真結果表明,該輸入低通濾波器在通帶0～2.7 GHz的插入損耗小于0.5 dB,在5 GHz處的插入損耗為26.767 dB,滿足要求。輸出直流濾波器則采用常見的λ/4微帶線與射頻電容并聯的結構。

1.3 數據采集收發模塊的設計

數據采集收發模塊包含以下幾個模塊:溫度傳感器模塊、無線收發模塊、串口通信模塊以及電源管理和儲能模塊。這幾個模塊分別通過MSP430、433無線收發模塊、串口通信軟件以及LTC3108IDE電源管理器來實現其功能。

本系統使單片機工作在LPM3低功耗工作模式下,利用Timer0_A定時器中斷,每隔3 s產生1次中斷,讓單片機跳出低功耗模式,利用單片機將傳感器收集到的數據經過433 M無線收發模塊傳到電腦,期間全部用電由天線收集的微波能量提供。為了合理調度和利用收集到的電磁能,將其存于一個儲能電容中,利用LPR6235—752SMLC型升壓變壓器和1個LTC3108IDE電源管理器設計了一個電源管理和儲能模塊。433M無線收發模塊采用的是E61-TTL-50模塊,通過UART接口連續傳輸方式,波特率為9 600數據傳輸距離可達1 000 m。串口通信的實現可令PC機與E15-USB-T2連接,實現UART到USB的轉換,從而與PC機正常通信。PC端則利用串口助手軟件進行數據的提取。

1.4 系統實現與測試結果

加工后的對數周期天線、整流電路以及電源管理電路的實物圖如圖4所示。

將電源管理和儲能模塊輸入端接到整流電路的輸出端,如圖5所示,經測試,天線將接收到的電磁能量經整流電路得到直流信號,再通過電源管理和儲能模塊,直流電壓可漸漸存儲至3.12 V。

最終微波輸電系統搭建如圖6所示,向系統前端發射微波信號后,發射端口開始收集微波能,整流電路將天線接收到的微波能轉化為直流電能,供給單片機工作,單片機控制溫度傳感器獲取溫度信息,再由433 M發射模塊向接收模塊傳送數據,最后通過電腦串口助手軟件顯示出來。

圖5 系統儲能測試結果

圖6 微波輸電溫度采集系統

2 在綜合探究型實驗中的應用

將上述系統應用在大學本科實驗中,可選擇安排在三年級的微波或天線實踐類課程里。探究型實驗教學模式有別于傳統實驗教學模式的一個重要特點就是采用分組制、團隊協作的方式進行[5]。因此,在實驗形式上,可采用3～5人一組、課上和課下相結合的方式進行。例如該實驗計劃分配16學時來完成,則課上可分配6學時,主要完成實驗要求和儀器的說明、實驗方案的確認以及實驗結果的答辯和檢查等工作。課外則分配10學時進行,用于各組自主調查、研究和調試。實驗室利用空閑時間對學生開放。實驗的考核形式可采用撰寫報告和PPT答辯的進行,既鍛煉學生的技術文檔寫作能力,也提高學生的語言表達能力。

在實驗內容擴展上,教師可以在指導每組學生的過程中,根據每組的情況適當引入探究型的問題,讓學生“在研究中學,在學中研究”。例如,在本實驗系統中,可以分別針對天線設計環節、整流電路設計環節以及在單片機應用的數據收發模塊環節,分別引入探究性問題。在天線設計環節上,可引導學生采用其他天線形式,比如全向圓極化天線[6-7]是否收集的微波能量更多、更快,以及嘗試優化天線的不同參數等,針對仿真和實物測量效果嘗試進行對比分析討論,也可采用微帶陣列天線作為前端微波信號的收集天線[8]等；在整流電路設計環節上,可以嘗試二極管和輸出濾波器匹配,省掉匹配網絡,從而實現小型化整流電路[9],也可嘗試雙頻匹配網絡和直通濾波器，分別實現二極管的輸入匹配和抑制雙頻的基頻與高次諧波[10]等方案；在單片機控制模塊上,溫度傳感器也可以改變為其他傳感器等；或從其他應用角度出發,利用單片機控制其他不同功能的模塊；也可替換自己設計的無線傳輸模塊,嘗試自己編輯PC端軟件等。讓學生從興趣出發進行不同的嘗試,進而從嘗試的不同方案中收獲更多的知識點。當然每組選定方案后需要和指導教師進行方案可行性的確認,實驗過程中遇到疑難問題也需要及時向教師反饋,通過師生共同合作的教學模式來完成這樣一個綜合探究型的實驗。

在實驗的選題上,可以來源于歷年競賽、簡化的科研項目、大學生創新項目的深入研究或者最新科研論文的改進,甚至是限定知識點范圍內學生感興趣的任何題目。完成后也可作為本科畢業設計的一部分,解決了因找工作與畢業設計的時間沖突等問題。

改革后的綜合探究類型的實驗,能夠極大地鍛煉學生的綜合設計、團隊協作能力以及科研能力。與傳統實驗內容相結合的教學形式,可以全方位地讓學生理解所學知識,激發學生創新興趣。

3 結語

為貫徹落實國家教育改革與發展方針,即注重創新人才的培養,提出了將探究型實驗引入射頻微波和天線類綜合設計性實驗的思路。實驗不拘泥于課上,更多的擴展性和探究性的內容留給課后,摒棄了傳統的以教為主、以驗證性實驗為主的實驗教學思路,改用啟發式、討論式、師生共同協作式的教學方式。這種方式對指導教師的業務水平也有更高的要求,教師需要與時俱進,不斷充實自我、提高自我,才能將新技術、新思路引入到實驗教學中來。這樣的實驗教學方式,不僅能夠極大地調動起學生的學習積極性,而且也更有利培養出適應當前社會需求的創新型人才。

References)

[1] 王革思,周天,潘大鵬,等.基于探究式教學的“數字電子技術”實驗案例設計[J].實驗技術與管理,2017,34(2):166-169.

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[5] 趙華絨,秦敏銳,蔡黃菊,等.如何發揮實驗技術人員在探究型實驗教學中的作用[J].實驗室研究與探索,2017,36(2):153-156.

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