傅世强，李婵娟，房少军

（大连海事大学 国家级电工电子实验教学示范中心，辽宁 大连 116026）

为了加强对射频微波技术人才实践能力的培养，使学生能够懂得如何将理论知识更好地转化为实际生产力，达到学以致用的目的，多数高校均开设了实验教学。然而由于微波射频测量仪器和器件价格昂贵，一些学校虽然开设了部分内容实验，但实验套数少，而且主要以验证性实验为主，不利于培养学生的创新设计能力，还有一些高校为了节约成本，采用虚拟仿真实验［1-3］的办法，使得学生缺少实践动手环节。为了满足高校实验实践教学的需要，一些企业不断推出新型射频微波实验箱并得到了应用［4］，如安泰信 ATRF3033、固纬GRF-3300等。然而这些实验箱所提供的实验教学方案更多的是测试厂家生产的射频微波器件的技术指标，显然在培养学生设计能力和创新能力方面是欠缺的。设计出创新设计性的实验是射频微波与天线实验教学面临的一个挑战，文献［5］和文献［6］通过采用铜箔粘贴在单面介质板的方法，让学生全程自己动手设计和制作射频前端系统中的关键器件，大大增加了学生自主创新的空间。但这也仅仅是单个模块的设计，不具综合性，不能从系统的角度出发，观察整体信号的传输效果。

为实现学校人才培养和企业实际需求之间的无缝对接，培养学生的综合能力和创新能力，本文借鉴了国外高校成功的教学模式和教学经验［7-8］，提出一套涵盖“射频电路实验”、“天线技术实验”和“电波传播实验”等课程的综合创新性实验教学系统。采用模块化设计思路，将看不到的无线电波信号通过LED灯形象化地显示出来，以揭示电磁信号的产生、变换、辐射和传播特性规律，配合并丰富“电磁场理论”，“微波技术”、“射频电路设计”和“电波与天线”课程的实践教学。所设计的创新实验项目形象生动，可直观感知电磁信号的特性和规律，易于在实验教学中激发学生学习兴趣；所开发的综合创新性实验教学系统，具有设计性实验内容和发挥学生创新性的环节，易于提高学生的创新精神和综合设计能力，从而增强就业竞争力。

1 综合创新性实验系统简介与模块化设计

通过调查发现，很多本科生并不知道自己所学的知识将来会有什么用途，再加上传统射频微波和天线实验教学大多是验证性的实验，靠背诵实验器材和步骤，因此严重影响了学生学习的积极性和主动性。我们提出的综合创新性实验教学系统能够形象生动地显现电磁信号的产生和传输，并可直观感知电磁波特性和规律，从而在实验教学中显著激发学生学习兴趣，引导学生从观测的现象中思考和发现问题，调动学生主动开展研究性学习。该实验教学系统主要由电磁波发射装置、接收装置、金属栅网3部分构成，实验原理如图1所示，加工实物图如图2所示。每一部分均采用模块化设计思路，以各单元模块的设计、制作、测试为基础慢慢到系统综合层面上，让学生逐步建立起系统的概念，并能够在系统的层面上分析和调试，效果和影响远远超越了原先单纯的单元式和验证性实验。

图1 综合创新性实验教学系统的原理图

图2 综合创新性实验教学系统的实物图

实验系统从模块化划分为：射频振荡器、射频放大器、射频带通滤波器、微带天线、金属栅网和射频信号检测显示LED电路。系统模块化设计的优点在于，一方面“电路模板”包含了射频有源器件、射频无源器件和射频信号检测电路等内容，使系统设计的局部和整体有机结合；另一方面有利于电路的更新，分步骤地开发新的实验模块，如混频器，目前仅仅引入了信号指示器LED显示，后期可以引入音视频传输模块通过混频实现图像和声音的传输，更具工程化和实用性。该实验系统所设计的模块如图3所示。

图3 综合创新性实验教学系统的模块化电路

图3（a）为射频晶体管振荡器。射频振荡器采用通用NPN双极晶体管AT41486设计，振荡频率为ISM（industrial scientific medical）915MHz开放频段，供电电压为6V，采用电池盒放入4节5号电池实现，其中偏置条件为4V、20mA，输出功率大约3dBm，相位噪声-70dBc／Hz＠10kHz，二倍频输出功率约为-25 dBm，三倍频输出频率约为-37dBm。图3（b）为射频晶体管放大器。射频放大器采用通用NPN双极晶体管AT41435设计，供电电压为6V，其中偏置条件为5V、30mA，工作频率885～945MHz范围内，增益超过15 dB，回波损耗大于15dB，隔离度优于-20dB。图3（c）为发夹线带通滤波器，其带宽比平行耦合线滤波器宽，具有更好的带通性能，而且体积小，实测滤波器在中心频率915MHz的插损为2.2dB，回损为21.5dB，由于板材损耗，在900～928MHz通带内插损均能在4dB以内。图3（d）为微带八木天线，该内容将作为例子在实验环节教学设计部分详细阐述。针对以上各模块的实验内容，不仅仅包括单个模块的设计和制作，还要学生学习和了解各种射频相关仪器设备（如频谱分析仪、矢量网络分析仪等）的测试方法。

无线电波无处不在，看不见摸不着，学生学习过程中难以理解和掌握电磁波的传播特性。文献［9］采用白炽灯作为微波频段电磁波接收指示器，实现对电磁波眼见为实的感知。借鉴其思路，本文通过射频整流检波电路（二极管HSMS2822检波和三极管LM324运算放大）将看不到的无线电波通过LED灯形象化的显示出来，其实物图如图3（e）所示。电磁波的传播规律比较抽象，对电磁波极化的研究，有利于分析电磁波在自由空间的传播特性。文献［10］理论分析了无限长窄缝和孔缝对不同线极化电磁波的传输特性，本文则通过实际加工金属栅（包括水平栅 、竖直栅、网格栅）来进行实验验证。网格栅实物如图3（f）所示，通过放入不同金属栅（水平栅 、竖直栅、网格栅）前后，LED信号指示器显示强弱的不同，以直观化、形象化的方式，帮助学生加强理解和深入掌握课堂教学中关于电磁波极化特性等抽象内容。

2 综合创新性实验内容和教学方法的设计

实验教学的主要任务是训练学生完成一个采用先进科研手段进行射频电路设计研究的全过程。实验环节首先采用业界公认的射频微波电路仿真软件ADS（advanced design system）和 三 维 电 磁 场 仿 真 软 件HFSS（high frequency structure simulator）对给定指标的射频电路和天线进行仿真优化，接着将仿真优化得到的电路模型设计成微带版图，然后利用得到的微带版图加工制作微带电路板，最后对加工的器件尺寸进行测量及性能调试。实验过程是一个不断重复的过程，通过对前一次测试结果及误差的分析，提出改进方案，再进行仿真优化和加工测试调试，最终得到满意的结果。

所设计的综合创新性实验内容与实际的射频通信工程密切相关，甚至直接是实际工程中的射频微波器件，例如振荡器、放大器、滤波器、微带天线等器件的设计。具体实验内容由指导教师给出实验材料和详细设计指标，不限定电路形式和设计方法，由学生自由发挥，根据所学知识完成实验任务。设计的理论知识都源于“电磁场理论”、“微波技术”、“射频电路设计”和“天线与电波传播”等课程，利用理论进行射频微波器件设计只是完成了实验的第一步。

下面以微带八木天线实验为例，进行教学方法的详细介绍。

在实验过程中，第一阶段由学生利用课堂学习到的理论知识，以及查阅相关文献［11-12］后获取的相关知识，进行天线尺寸的设计及计算，此阶段有助于学生深入掌握所学的基本理论和提高文献检索阅读能力；第二阶段学生进入仿真实验室，利用正版ADS和HFSS软件，进行微带八木天线的计算机建模及电磁仿真，仿真模型如图4所示，此阶段有助于学生掌握射频EDA电磁仿真软件；第三阶段学生进入加工实验室，利用准备好的射频实验材料，如图5所示，自己动手制作微带八木天线的电路结构，利用雕刻刀和铜箔刻出天线结构，并粘贴到介质材料板上，此阶段有助于学生掌握射频电路的加工和版图设计；第四阶段学生进入测试实验室对加工好的微带八木天线进行电气指标测试和调试，如图6所示，此阶段有助于学生掌握射频测试设备的使用方法；第五阶段进行工程验证，将设计好的天线接到综合创新性实验教学系统，实现良好的信号收发。当然本实验也易于推广到其他的天线形式，如偶极天线、环天线等，实验项目的设置，可以针对学生的能力和各专业要求的不同而进行不同的实验方法设计，有较大的扩展余地。

图4 微带八木天线仿真

图5 微带八木天线加工

图6 微带八木天线测试

3 结束语

本文提出了一套射频微波与天线类课程实验教学系统，以各单元模块的设计、仿真、制作、测试为基础逐步到系统集成上，将抽象的射频微波信号的产生、变换、辐射和传播特性，通过形象化的手段展示出来，有效地激发学生的学习兴趣，全面地提高实践教学质量。所开发的综合创新性实验教学系统，具有设计性实验内容，在实验过程中具有发挥学生创新性的环节，提高了学生的创新精神和动手能力。目前已经应用于电子信息科学与技术专业的“射频电路设计”和“微波技术课程设计”的实验教学中，取得了良好的教学效果，并受到学生的欢迎。

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［1］张兰，李晓蓉，龚子平，等.电波传播与天线专业实验教学体系的构建［J］.实验技术与管理，2012，29（11）：176-178.

［2］房少军，李洪彬，段晓燕，等.天线实验教学仿真系统的研究［J］.实验室研究与探索，2010，29（1）：50-52.

［3］李松松，李响，陈高泉，等.射频电路设计实验教学研究［J］.实验技术与管理，2011，28（2）：87-90.

［4］张兰，李晓蓉，江爱萍.射频电路实践教学的探索［J］.实验技术与管理，2011，28（1）：150-152.

［5］涂治红，谢泽明，禇庆昕，等.“射频电路与天线”创新性实验［J］.实验室研究与探索，2011，30（4）：74-77.

［6］房少军，王钟葆，傅世强.微波无源网络的创新设计性实验探索［J］.电气电子教学学报，2011，33（6）：81-83.

［7］Alexander J Hempy，Michael P Civerolo，Dean Y Arakaki.Design and Assembly of an Antenna Demonstration System［J］.IEEE Antennas and Propagation Magazine，2012，54（2）：209-219.

［8］Brent Bauman，Andrew Christianson，Andrew Wegener，et al.Dynamic Visualization of Antenna Patterns and Phased-Array Beam Steering［J］.IEEE Antennas and Propagation Magazine，2012，54（3）：184-193.

［9］杨德强，潘锦，陈波.电磁波教学创新实验［J］.实验室研究与探索，2009，28（4）：253-255.

［10］万双林，刘培国，何建国.金属栅网对线极化电磁波的屏蔽效能研究［J］.安全与电磁兼容，2010（2）：66-68.

［11］倪国旗，张涛，倪围，等.一种微带准八木天线的改进设计［J］.微波学报，2013，29（1）：51-54.

［12］于臻，冉小英.一种参数可调的八木天线的设计［J］.实验室研究与探索，2012，31（7）：289-292.