程春霞, 许录平, 孙景荣, 孙文方

(西安电子科技大学 空间科学与技术学院, 陕西 西安 710126)

实验教学承载着学生实践动手能力、创新能力、分析问题和解决问题能力培养的重任[1]。如何在实验教学中发掘和培养学生的科研思维能力,使其在以后的各种实践性活动中更好地应对复杂的状况,是当前教学中尤其需要注意的问题[2],一些院校也积极地进行了科研思维、能力培养实验课程的探索[3-5]。

就天线相关课程来说,随着计算机仿真技术的发展,设计型仿真实验开始实施[6-8],在仿真的基础上,大连海事学院针对天线专业还有一些不错的综合性实验[9-11],这些综合性的实验对学生科研思维、科研能力的培养非常有用,但是这些实验对于非射频天线专业的学生来说,实施起来难度较大。为此,针对我院专业的特点,在仿真实验[12]实施的基础上,按照微带天线科研项目的实施过程,设计了一个理论设计、仿真设计与调试、实物制作、实物测试与调试、远场辐射特性测试(示教)完整的实验过程,在实验的实施过程中,引导学生自己用理论知识来分析实验结果与预期指标的差距,并用理论知识来指导实验调试,最终设计并制作出符合指标要求的微带天线。

1 基于科研项目流程的实验设计思路

基于科研项目流程微带天线实验设计思路来源于科研工作的实践。微带天线的设计,首先要根据项目的具体指标选择合适的天线形式和板材,然后根据微带天线的理论对天线的尺寸、馈电进行初步的设计,再根据这些理论设计的初始值在仿真软件中建模仿真,并根据仿真结果和设计指标的差距调整天线的参数,最终得到符合设计指标要求的微带天线模型。

根据最终的天线模型尺寸加工微带天线(画板、外协加工)。由于实际板材介电常数的偏差、加工误差等原因,大部分情况下天线实物测试时频率会出现偏差,因而需要结合频率偏离的方向、相关理论、仿真调试经验,对实物进行调试。实物调试采用裁剪辐射贴片(或匹配支节)、贴导电铜箔两种手段反复调试。

为了缩短实验周期、降低实验成本以及方便实验教学的实施,实验中学生设计的微带天线不是外协加工实物,而是由学生自己动手在单面覆铜板上粘贴,微带天线的馈电形式统一采用侧馈的方式。

整个实验的实施过程包括：设计指标和基本理论、理论设计、软件仿真与调试、实物制作、实物测试与调试。另外,还选取优秀学生的天线实物进行天线辐射特性测试的示教性实验。

2 基于科研项目流程的实验实施

2.1 设计指标和基本理论

本实验采用单人单组的教学模式,设计指标中的天线相对带宽和板材统一规定,但是关键指标——天线的中心频率,与学生学号相关,需要每位学生根据实验内容计算。

微带天线的基本理论非常成熟,图1为微带天线的结构示意图。辐射贴片尺寸W、L计算公式如下：

(1)

式中,εr为相对介电常数,εe为等效介电常数。

侧馈(W边的中间)阻抗计算公式为[13-14]

(2)

其中：f0和λ0分别为中心频率及其对应的波长；c为光速,c=3×108m/s。εe和ΔL可由下面两个式子计算得到：

(3)

(4)

图1 微带天线结构示意图

微带天线W边中点馈电的阻抗可以由(2)式计算得到,通常其值不等于系统常用的特性阻抗50 Ω,因此需要对图1中的天线进行阻抗匹配设计。阻抗匹配的方法很多,可以通过将馈电点偏离W边中点的方法达到匹配,还可以用单支节匹配器或λ/4阻抗变换器实现匹配,实验过程中采用哪种匹配方式均可。

2.2 理论计算和仿真调试

由于每一位学生所设计天线的中心频率不同,所以每人都需要根据公式(1)—(4)来计算辐射贴片的长、宽以及天线的输入阻抗,再根据选定的匹配方案设计匹配结构,最后以理论计算的所有尺寸为初始值在仿真软件Ansoft HFSS中建模仿真。

建模时,要求学生先在草稿纸上画出微带天线和匹配结构的草图,所有尺寸以参数表示,方便后面的调试,图2为微带天线侧馈λ/4匹配器匹配的微带天线。

图2 λ/4匹配侧馈微带天线

因为理论计算公式有很多近似,一般情况下初始值仿真的结果与设计指标不符,中心频率会有偏差,这时大部分学生会向教师寻求帮助。此时,根据学生的具体问题,引导学生用理论知识分析频率偏移的原因,调整相应的参数,验证仿真结果与理论分析是否相符。在调试的过程中注意记录参数L、W、L1、W1变化对天线性能的影响,也就是要详细记录并保存关键的调试过程。结合理论知识和仿真结果,反复调试各个参数,直至天线的仿真指标与设计指标吻合。

最后,将各个尺寸(单位mm)保留一位小数且小数位微调成0或5,以方便后面的手工加工,验证微调后仿真结果仍能满足设计指标,记录此时辐射贴片、匹配器和馈线的尺寸,申请仿真结果验收。

2.3 实物制作和测试调试

学生自备直尺和铅笔,领取微带天线材料和工具：单面覆铜板、铜箔胶带、SMA接头和裁纸刀。根据仿真设计的辐射贴片、匹配器和馈线的尺寸,在铜箔胶带背面画出微带天线的形状,再用裁纸刀将画出的形状裁下；然后将微带天线粘贴在单面覆铜板未覆铜的那一面,如图3(a)所示；最后在馈线的终端焊上SMA接头,如图3(b)所示,注意接头的法兰必须与单面覆铜板的覆铜面牢固焊接,否则测试时接头很容易脱落。

图3 微带天线实物

所有的天线实物必需测试端口的反射系数S11,测试仪器为ROHDE&SCHWARZ的手持式双端口频谱分析仪FSH4,它集频谱分析、天馈线分析、全功能矢量网络分析、矢量电压表、功率计主机、宽带通信解调等多种测试功能于一身,本实验用到的是FSH4的单端口矢量网络分析仪的功能。矢量网络分析仪使用时与低频常用的示波器等仪器的区别在于：使用之前必须校准,所以学生需要熟悉矢量网络分析仪校准的操作步骤,使用时若发现校准失效(fcal)了,必需重新校准后才能测试。

测试连接如图4所示,由于手工加工的误差、板材介电常数的偏差等因素的影响,天线实物测试的S11与仿真结果相比会有偏差,需要根据理论知识并结合仿真调试经验对实物进行调试,最终将其调到设计指标要求的频段,需要标记上下边频、中心频率(见图5)。

图4 天线S11测试连接

图5 实物S11测试结果

2.4 辐射性能测试

天线的辐射性能测试需要在微波暗室中进行,测试过程较复杂、时间较长,而且一次仅能进行一个天线的测试,因此根据学生仿真设计和S11调试结果选择几个设计较好的天线进行辐射性能示教性测试。

辐射性能测试之前为学生讲解:增益、方向图测试的测试原理和系统组成,由测试数据计算天线增益、生成归一化方向图的数据处理过程；标准喇叭天线和微带天线实物极化方式的辨别方法；测试辐射特性时要注意收发天线的极化。通过辐射特性的示教性测试,让学生加深对天线增益、方向图等相关知识的理解。

3 结语

由于本专业学生学习的相关课程较少,但是他们今后从事的通信和探测工作又离不开射频与天线,因此设计了一个学生能够从理论设计、仿真调试、实物制作到实物测试与调试完整的天线和匹配器设计实验,该实验实施过程与实际科研流程完全相同。通过实验使学生加深对射频和天线相关概念和理论的理解,培养学生的动手能力和科研思维能力。