射频无源器件设计实验教学开发板的实现

2014-03-25傅世强李婵娟房少军

实验技术与管理 2014年2期

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)

随着现代科学技术的进步，无线通信频率正在向更高的频段发展，射频微波技术愈来愈显示出其重要性[1-2]。目前国内在射频微波工程方面的人才十分紧缺[3]，基于这种现状，全国大约有300所高校开设了“微波技术”、“电波与天线”以及“射频电路设计”的课程，然而这些课程的实验教学却不尽如人意，大部分实验是验证性的，设计内容几乎为零[4-8]。验证性实验不利于大学生实践能力和创新精神的培养，因此，为了改革实验教学，一些能够做综合性、系统性、设计性实验的多功能实验开发板和教学实验箱不断出现[9-10]。

少数高校为培养射频微波技术人才也开设了创新性的射频电路实验，并为该实验提供了教学开发板[11-12]。但对这种耗材类的教学开发板在实用性以及稳定性上，没有进行细致的研究和设计，重复利用率不高，一定程度上增加了实验教学成本。例如文献[11]中采用成本较低的FR4板作为实验板材，导致插入损耗较大，影响了实际电路性能；文献[12]中由于采用低成本的BNC接头，在与测试仪器连接时需要转换，增加了不连续性，测试稳定性差。并且上述文献中使用的开发板均没有采用较好的防护措施，容易损坏。

为了解决上述问题，我们对射频电路课程实验教学开发板的设计进行了研究，分析了能够影响实验性能的一些主要因素，综合考虑了设计、制作和测试3个主要实验过程中可能遇到的问题，开发了一套兼顾成本和性能、高稳定性、可重复利用、适用于高校实验教学的射频无源器件开发板。该开发板采用了与企业开发产品模式相一致的设计思路，教会了学生如何把自己大学课堂所学知识转换为实际产品，极大地提高了学生的实验兴趣。该开发板不仅能够满足实验教学的需要，而且还能够供教师科研开发之用。

1 射频无源器件开发板的设计

传统的射频电路教学实验都是验证性的，其原因在于没有找到一个类似于低频电子线路的面包板提供给学生可以任意地设计电路并进行测试。对于射频微波频段而言，电路都是分布参数的，可以说结构就是电路。因此我们利用铜箔粘贴在单面微波材料板上可实现各种射频电路的思路，着重考虑了射频板材及接头的选取、结构尺寸和布局、外壳防护以及接口接地的处理几个方面，设计了一个可提供学生反复利用的射频无源器件设计实验开发板。

为了能够让学生手工粘贴铜箔制作射频微波器件，其结构尺寸的加工精度会受到限制，因此需要充分考虑到射频电路板上传输线的宽度、长度和线与线之间的距离等因素，而这些尺寸的大小与微波材料板的厚度和介电常数紧密相关。兼顾性能与成本，在板材的选取方面，考虑到低损耗、介电特性的高稳定性，最终选用了介电常数为2.65、厚度为2 mm的国产F4B微波板，能够配合搭载线宽5 mm的50Ω微带线，非常适合学生进行手工加工，并且测试结果误差不大；选择的接头必须和微波电路板相匹配，还需考虑到接头便于安装和替换、便于与测试设备对接(目前大多数矢网测试设备都是N型接头)、价格低廉以及牢固耐用，最终选用了N型K接头；结构尺寸和布局方面则考虑了本科教学的实验内容，尺寸大小与设计的中心频率对应的波长有关，频率规定在1～2 GHz，输入输出的接口位置充分考虑了阻抗变换器、功分器、耦合器、滤波器以及微带天线的结构设计，最终设定开发板大小200 mm×150 mm，选定6个N型射频接头通过插接的方式分别安装于开发板的四周，一旦接头损坏，可方便拆下替换新接头。另外接头处接地处理是在设计开发板过程中最值得注意的地方，因为射频接地不同于低频接地，射频需要接地时要立即接地，否则将造成一定的阻抗变换和不连续性，严重影响射频电路的性能，因此采用给微波板加外壳的方式，接头附近用螺丝固定底板与外壳，即可实现良好的接地，并且加入外壳后整体非常稳固，还能够对微波板起到很好的防护作用。最终设计的开发板如图1所示。

图1 射频无源器件设计实验教学开发板

经过设计的射频无源器件实验教学开发板，不仅提高了实验耗材的稳定性，并且由于加框加壳的处理，可以让学生在实验过程中，了解工程上经过封装后的各种器件在性能上与理想状态的区别，一定程度上和工程接轨。这样学生不仅通过实验教学加深理解了理论课程的知识，同时也能在这种设计性实验中开拓自己的思路，更进一步地了解工程上或将来在工作中可能遇到的各种实际问题。在本科教学方面，可以说为培养射频工程人才打下了良好的基础。如此设计的开发板，6个国产N型接头价格合计60元左右，一块微波板需50元，外框和外壳的成本40元，再加上铜箔费用，一套实验教学开发板的整体费用大约150元，较好地控制了教学成本，更重要的是可以重复利用。

2 射频无源器件开发板的实现及应用

开发板的主要构成材料为：单面覆铜的F4B微波电路板一块、金属外框一个、连接电路板和外框的L型金属固定条4个、N型射频接头6个，以及固定螺丝若干，如图2所示。组装时，首先将L型金属条固定在金属框内侧，再放入微波电路板，用螺丝固定，再将N型射频接头固定在金属框四周预留好的位置，这样，一块可重复利用的射频无源器件开发板就组装完成了。学生在实验时，通过粘贴铜箔的方式，可在同一块开发板上进行多次射频无源器件的设计和测试。