电磁波测向教学实验设计

2014-05-02杨德强王志敏

实验技术与管理 2014年5期

陈波，杨德强，潘锦，王志敏

（电子科技大学电子工程学院，四川成都 611731）

电磁场与波课程教学中，天线的方向图是重要参数之一［1］，天线教学在有些专业甚至列为单独的课程［2］。然而，可以准确测量天线参数的测试系统十分昂贵，一些高校开发了仿真和虚拟实验的方法［3－9］，也有一些学校开发出各类针对学生的简易实验测试系统［10－13］。这些实验对学生而言，可以理解方向图的测量方法，但难以直观理解参数的实际用途。本实验设计解决了这一难题，学生可以自制测向天线，并利用天线方向图进行测向，查找和跟踪目标信号源的位置。该实验的开展，使学生实验兴趣浓厚，参加实验的积极性很高，对天线参数的理解和掌握程度得到很大提高。

1 实验系统原理与设计

天线跟踪测向，类似于捉迷藏游戏，利用天线的方向性，寻找能发射无线电波的小型信号源（即发射机），在民用和军事上中都有大量应用。本实验的设计思路，是在校园内树林、草地等自然环境中，事先隐藏好数个信号源，定时发出规定的信号。实验者手持场强仪和测向天线，在规定时间内，测出隐蔽信号源的所在方位，采用徒步方式，迅速、准确地寻找出这些信号源。

1.1 天线测向原理

利用天线方向图测定发射电台所在的方向，可以分为最大值测向和零值点测向2种方法。最大值测向可以利用具有单向方向图的天线，当测向天线最大值方向对准目标时，场强仪读数最大，从而判断出目标的方向，接近目标时，场强仪读数进一步增大，从而判断出目标的远近。

零值点测向利用如图1所示的8字形方向图，其中零值位置角度分辨率最高，有利于精确判断信号来波方向，缺点是目标可能来自相差180°的2个方向。但可以利用2个相距足够远的测向点，2次确定发射电台的方向。2个测向点到目标之间可以确定2条直线，它们的交点则是信号源位置。

图1 零值点测向原理

实际的测向行进路线一般按照道路的走向前进，如图2所示，中途停顿进行信号源方向判断，可以同时记录多个信号源的方向，并在地图上标识，到达第2个停顿点时，再次记录这些信号源的方向，通过交叉定位，获得信号源大致位置，然后迅速到达该区域寻找。当到达信号源附近后，信号来波角度的判断精度已不重要，零值点测向的效率变得十分低下，此时应更换天线，采用最大值测向，大致判断目标方位，并结合观察场强测试仪的读数是否增强，从而判断是否接近目标，以加快搜索进度。

图2 中途测向方法示意图

1.2 实验系统设计

实验系统由天线跟踪测向装置和目标信号源组成。

天线跟踪测向实验装置如图3所示。主要由场强测试仪、天线支撑杆和测向天线构成，测向天线通过硬同轴电缆安装于天线支撑杆顶部，经一根1.5m长的软同轴电缆连接到场强测试仪。天线支撑杆底部为锁紧接头，防止运动时电缆摆动影响测试准确性。支撑杆下部突起设计为手握部位，方便手握和转动方向。硬同轴电缆长度为10cm，分为直线型和直角型2种，分别用于架设对称天线和单方向性天线，可供实验教师根据情况灵活设计实验方案。

图3 跟踪测向实验装置示意图

自制的目标信号源如图4所示，该信号源采用内部自带的充电电池供电，持续发射时间可以超过4h，足够一次学生实验使用。信号源一体化程度高，外观无指示灯和鲜艳色彩，表面通常为黑色或深绿色，便于隐蔽，内部采用单片机控制的锁相环，可以设置发射频点、功率和发射周期等参数。为了方便学生实验中进行天线设计和制作，信号源设计的工作频率为915 MHz～925MHz可调。在此频段，天线尺寸较为适中，金属材料取材容易且便于制作。

图4 自制信号源

2 电磁波测向实验方案设计

选择校园内适合开展电磁波测向实验的安全区域，实验教师事先制作该区域的简易地图，提供给学生使用。实验前1h左右，在规定区域内放置4～5个目标信号源，设置为不同的发射频率，每个信号源都有一个确定的编号，并记录它们的藏匿位置和发射频率等参数。目标信号源可以隐藏于树枝和草丛中，并做好伪装工作，信号源附近放置一个与目标信号源编号相同的印章，供学生找到后在实验表格上留证。

学生根据所学的天线知识，设计合适的测向天线，并使用铜丝等材料在实验室完成天线制作。测向天线一般应包括单向和双向2种。实验具体步骤如下：

（1）按照图3所示，将制作完成的测向天线安装于天线支撑杆顶部，并连接好与场强仪之间的高频电缆；

（2）根据指导教师给出的藏匿信号源频率，选择其中一个，设置好场强仪的频率范围和幅度范围；

（3）利用实验室的微波信号源，确定天线测向装置可以正常接收信号，信号强度随测向天线的对准方向变化趋势符合设计要求；

（4）熟悉实验用简易地图，迅速到达指定地点开始测向，先利用零值点测向，初步判断信号源方位，接近目标后，再使用最大值测向，直到发现第一个信号源后，在地图上标出藏匿位置，并用印章在地图上盖章；

（5）将场强仪更换为另一个信号源工作频率，重复第4步，直到找完所有信号源为止；

（6）根据测向中遇到的具体问题和查找目标的经验，分析其中的规律，总结出使用时间最短的寻找信号源的步骤和方法。

3 结束语

利用天线方向图的原理设计的电磁波测向实验，可以在校园内的室外树林开阔场地进行，也可以在教学楼内开展，实验方法简便易行，实验的竞争性和趣味性较强。学生通过亲手制作测向天线，了解天线的方向图特性，完成实际的测向跟踪工程应用，对帮助学生更好地理解天线理论十分有益。本实验方法适合通讯、电子信息工程等专业学生学习电磁场与波、微波技术与天线等课程开展实验教学。

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