基于科研項目流程的微帶天線實驗設計

程春霞, 許錄平, 孫景榮, 孫文方

(西安電子科技大學 空間科學與技術學院, 陜西 西安 710126)

實驗教學承載著學生實踐動手能力、創新能力、分析問題和解決問題能力培養的重任[1]。如何在實驗教學中發掘和培養學生的科研思維能力,使其在以后的各種實踐性活動中更好地應對復雜的狀況,是當前教學中尤其需要注意的問題[2],一些院校也積極地進行了科研思維、能力培養實驗課程的探索[3-5]。

就天線相關課程來說,隨著計算機仿真技術的發展,設計型仿真實驗開始實施[6-8],在仿真的基礎上,大連海事學院針對天線專業還有一些不錯的綜合性實驗[9-11],這些綜合性的實驗對學生科研思維、科研能力的培養非常有用,但是這些實驗對于非射頻天線專業的學生來說,實施起來難度較大。為此,針對我院專業的特點,在仿真實驗[12]實施的基礎上,按照微帶天線科研項目的實施過程,設計了一個理論設計、仿真設計與調試、實物制作、實物測試與調試、遠場輻射特性測試(示教)完整的實驗過程,在實驗的實施過程中,引導學生自己用理論知識來分析實驗結果與預期指標的差距,并用理論知識來指導實驗調試,最終設計并制作出符合指標要求的微帶天線。

1 基于科研項目流程的實驗設計思路

基于科研項目流程微帶天線實驗設計思路來源于科研工作的實踐。微帶天線的設計,首先要根據項目的具體指標選擇合適的天線形式和板材,然后根據微帶天線的理論對天線的尺寸、饋電進行初步的設計,再根據這些理論設計的初始值在仿真軟件中建模仿真,并根據仿真結果和設計指標的差距調整天線的參數,最終得到符合設計指標要求的微帶天線模型。

根據最終的天線模型尺寸加工微帶天線(畫板、外協加工)。由于實際板材介電常數的偏差、加工誤差等原因,大部分情況下天線實物測試時頻率會出現偏差,因而需要結合頻率偏離的方向、相關理論、仿真調試經驗,對實物進行調試。實物調試采用裁剪輻射貼片(或匹配支節)、貼導電銅箔兩種手段反復調試。

為了縮短實驗周期、降低實驗成本以及方便實驗教學的實施,實驗中學生設計的微帶天線不是外協加工實物,而是由學生自己動手在單面覆銅板上粘貼,微帶天線的饋電形式統一采用側饋的方式。

整個實驗的實施過程包括：設計指標和基本理論、理論設計、軟件仿真與調試、實物制作、實物測試與調試。另外,還選取優秀學生的天線實物進行天線輻射特性測試的示教性實驗。

2 基于科研項目流程的實驗實施

2.1 設計指標和基本理論

本實驗采用單人單組的教學模式,設計指標中的天線相對帶寬和板材統一規定,但是關鍵指標——天線的中心頻率,與學生學號相關,需要每位學生根據實驗內容計算。

微帶天線的基本理論非常成熟,圖1為微帶天線的結構示意圖。輻射貼片尺寸W、L計算公式如下：

(1)

式中,εr為相對介電常數,εe為等效介電常數。

側饋(W邊的中間)阻抗計算公式為[13-14]

(2)

其中：f0和λ0分別為中心頻率及其對應的波長；c為光速,c=3×108m/s。εe和ΔL可由下面兩個式子計算得到：

(3)

(4)

圖1 微帶天線結構示意圖

微帶天線W邊中點饋電的阻抗可以由(2)式計算得到,通常其值不等于系統常用的特性阻抗50 Ω,因此需要對圖1中的天線進行阻抗匹配設計。阻抗匹配的方法很多,可以通過將饋電點偏離W邊中點的方法達到匹配,還可以用單支節匹配器或λ/4阻抗變換器實現匹配,實驗過程中采用哪種匹配方式均可。

2.2 理論計算和仿真調試

由于每一位學生所設計天線的中心頻率不同,所以每人都需要根據公式(1)—(4)來計算輻射貼片的長、寬以及天線的輸入阻抗,再根據選定的匹配方案設計匹配結構,最后以理論計算的所有尺寸為初始值在仿真軟件Ansoft HFSS中建模仿真。

建模時,要求學生先在草稿紙上畫出微帶天線和匹配結構的草圖,所有尺寸以參數表示,方便后面的調試,圖2為微帶天線側饋λ/4匹配器匹配的微帶天線。

圖2 λ/4匹配側饋微帶天線

因為理論計算公式有很多近似,一般情況下初始值仿真的結果與設計指標不符,中心頻率會有偏差,這時大部分學生會向教師尋求幫助。此時,根據學生的具體問題,引導學生用理論知識分析頻率偏移的原因,調整相應的參數,驗證仿真結果與理論分析是否相符。在調試的過程中注意記錄參數L、W、L1、W1變化對天線性能的影響,也就是要詳細記錄并保存關鍵的調試過程。結合理論知識和仿真結果,反復調試各個參數,直至天線的仿真指標與設計指標吻合。

最后,將各個尺寸(單位mm)保留一位小數且小數位微調成0或5,以方便后面的手工加工,驗證微調后仿真結果仍能滿足設計指標,記錄此時輻射貼片、匹配器和饋線的尺寸,申請仿真結果驗收。

2.3 實物制作和測試調試

學生自備直尺和鉛筆,領取微帶天線材料和工具：單面覆銅板、銅箔膠帶、SMA接頭和裁紙刀。根據仿真設計的輻射貼片、匹配器和饋線的尺寸,在銅箔膠帶背面畫出微帶天線的形狀,再用裁紙刀將畫出的形狀裁下；然后將微帶天線粘貼在單面覆銅板未覆銅的那一面,如圖3(a)所示；最后在饋線的終端焊上SMA接頭,如圖3(b)所示,注意接頭的法蘭必須與單面覆銅板的覆銅面牢固焊接,否則測試時接頭很容易脫落。

圖3 微帶天線實物

所有的天線實物必需測試端口的反射系數S11,測試儀器為ROHDE&SCHWARZ的手持式雙端口頻譜分析儀FSH4,它集頻譜分析、天饋線分析、全功能矢量網絡分析、矢量電壓表、功率計主機、寬帶通信解調等多種測試功能于一身,本實驗用到的是FSH4的單端口矢量網絡分析儀的功能。矢量網絡分析儀使用時與低頻常用的示波器等儀器的區別在于：使用之前必須校準,所以學生需要熟悉矢量網絡分析儀校準的操作步驟,使用時若發現校準失效(fcal)了,必需重新校準后才能測試。

測試連接如圖4所示,由于手工加工的誤差、板材介電常數的偏差等因素的影響,天線實物測試的S11與仿真結果相比會有偏差,需要根據理論知識并結合仿真調試經驗對實物進行調試,最終將其調到設計指標要求的頻段,需要標記上下邊頻、中心頻率(見圖5)。

圖4 天線S11測試連接

圖5 實物S11測試結果

2.4 輻射性能測試

天線的輻射性能測試需要在微波暗室中進行,測試過程較復雜、時間較長,而且一次僅能進行一個天線的測試,因此根據學生仿真設計和S11調試結果選擇幾個設計較好的天線進行輻射性能示教性測試。

輻射性能測試之前為學生講解:增益、方向圖測試的測試原理和系統組成,由測試數據計算天線增益、生成歸一化方向圖的數據處理過程；標準喇叭天線和微帶天線實物極化方式的辨別方法；測試輻射特性時要注意收發天線的極化。通過輻射特性的示教性測試,讓學生加深對天線增益、方向圖等相關知識的理解。

3 結語

由于本專業學生學習的相關課程較少,但是他們今后從事的通信和探測工作又離不開射頻與天線,因此設計了一個學生能夠從理論設計、仿真調試、實物制作到實物測試與調試完整的天線和匹配器設計實驗,該實驗實施過程與實際科研流程完全相同。通過實驗使學生加深對射頻和天線相關概念和理論的理解,培養學生的動手能力和科研思維能力。