引向天线教学实验系统的设计

廖 欣 何 宁 李小明

（桂林电子科技大学信息与科技学院，广西桂林541004）

电波传播与天线是通信、电子类专业本科学生的一门重要的专业课程，通过课程的学习，使学生认识近地空间电磁波传播物理机制和传播特点，并能针对性地进行典型天线的工程设计方法。课程具有较强的工程性，与配套的天线实验相结合，能充分培养学生分析和解决实际问题的能力。

1 实验基本原理

天线项目的测试，通常需要射频信号源、频谱仪或者矢量信号分析仪等仪器设备，但这些设备往往价格比较昂贵，如果要成套配置和大量装备，更是需要大量经费，不利于本科教学中天线实验项目的开展。一些学校甚至开始采用虚拟仪器的方法来模拟天线实验，采用这样的实验教学方法，无法锻炼学生的实际动手的机会。

鉴于这种情况，可以通过设计一套高灵敏度的天线放大器，制作一种结构简单、调整方便的引向天线，使用这套实验装置，不仅可以节省实验经费的投入，同时，在实验过程中，通过学生亲自动手对引向天线进行设计、组装和调整，还进一步提高了学生的学习兴趣，加深对天线性能的了解，可以培养和提高本科学生在天线调试和测试等方面的动手能力，加强对天线实际测试方法的了解和掌握。

在进行实验装置设计时，接收天线装置采用引向天线作为接收天线，它有较好的方向性，比偶极天线有更高的增益，同时，因为其抗干扰较强、作用距离远，构造简单，架设方便，对测向、远距离通信效果比较好。设计时一方面考虑到信号源的成本以及配套接收仪器的成本，另一方面为了使整个实验系统的结构比较小巧，方便在室外（自由空间）进行测试。

2 教学实验装置组成和设计

根据天线的实验测试项目，实验系统主要有射频信号源、发射天线、接收天线转台、引向天线、天线放大器和指示器部分等，如图1所示。

2.1 引向天线的设计制作

根据系统的工作频率500MHz，可以计算出其工作波长为λ=0.6米。为便于根据实验内容进行调整，设计了一套有别于传统上结构、尺寸固定的引向天线系统。振子选择为可调节长度的振子并固定在方块胶木上，同时，采用方形塑料型材作天线固定架，并在上面开细长槽，以便灵活地调节振子之间的间距，在天线支撑架还具有垂直方向旋转的装置和刻度盘。引向天线的整体结构设计示意如图2。

2.2 天线放大器的设计

天线放大器实际上是一种高频宽带低噪声放大器，在本设计中采用了三级放大，前两级为低噪声放大，末级采用的是功率放大。天线放大器的电原理图如图3。

放大器满足如下指标：工作频带100～500MHz，输入信号动态范围为：-60dBm～20dBm，噪声系数（NF）小于 0.3dB，带内增益不小于45dB，带内增益平坦度±0.5dB以内，输入输出驻波比小于1.8。电路设计时选择了适当的电路形式，对输入端和输出端进行了阻抗匹配。放大后的信号通过功分器，一路为检波输出，采用检波指示方式，适合于降低实验系统的设备投入费用，节省成本；另外一路则直接输出天线信号强度，用频谱仪直观地进行测量。

3 实验教学项目设置和实验方法

天线的主要性能指标有：辐射方向图、天线增益和方向性系数、极化方式等，这套实验装置可以满足这些指标开展相应的测试项目。

3.1 天线的极化实验

电场、磁场的方向通常都是随时间而变化，为了说明波的电场强度的取向，采用了波的极化这个概念。电磁波的极化是电磁场和电磁波、电波传播与天线课程中的一个重要概念。

天线辐射电磁波中电场的方向就是天线的极化方向，收发天线的极化状态和方式必须一致时，才能有效地接收到信号，否则将使接收信号质量变坏，甚至完全收不到信号，这种现象称为极化失配。

天线实验中，由于本科学生空间认识能力的差异和对极化概念理解的偏差，常常有学生将两个处于同一平面内组成的收发系统，误认为是极化失配。为了进一步帮助学生对极化这一概念的理解，将作为接收天线的引向天线旋转不同的角度，通过测量其在不同角度位置上的接受信号强度的变化，验证和理解天线的极化。

按照图1连接实验装置，将收、发天线等高水平架设，调整接收天线水平旋转角度，保证两个天线极化状态相同且最大辐射方向对准，记录数据；按照一定偏转角度垂直旋转接收天线，并最终旋转到90°（即使之与地面垂直）。通过实验，可以使学生在建立一定的空间概念的基础上，测量天线的极化状态对接收效果的影响，加深对极化这一重要概念的理论认识。

3.2 天线方向图的测试

所谓天线方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的图形，通常采用天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图（H面和E面）来表示。

实验采用实际工作中经常采用的旋转天线法，测量五元引向天线的H面方向图，调整引向天线振子数量，组成一个五元引向天线，并将引向天线上的振子在天线固定架上移动，按照要求，调整好各振子的间距，调整完成后，必须用螺钉顶紧，防止在实验过程中振子位置发生变动。水平旋转接收天线一周，每隔一定的角度（一般为3°～5°）记录指示器的读数，按照记录结果将数据进行归一化处理，绘制引向天线H面方向图。学生可以在绘制的H面方向图上，测量出主瓣宽度（即场强相对值为0.707的两个点之间的夹角），并与理论计算值进行比较。

该实验项目不仅可以让学生形象地了解表示天线的方向性的方向图，掌握天线方向图的测试方法而且，通过将实验测试结果与理论计算结果进行分析对比，进一步加深对主瓣宽度、方向系数等天线电参数概念的认识。

3.3 引向天线的设计

在实验教学中，可以开展进行一些设计性实验项目。例如，给定学生一些天线的参数和指标，让学生按照这些技术指标进行理论计算并设计引向天线，动手进行调试。通过实际测试，观察实际测试结果与理论计算值之间的差异，按照实际测量结果，重新调整引向天线结构尺寸，如反射器、引向器长度以及各振子间距、有源振子的长度等，使引向天线的各项参数和指标达到要求。通过实验，不仅可以增强学生的实际动手能力，还进一步加强对天线设计、测试和调整整个过程的了解。

3.4 验证天线结构变换对其性能的影响

通过实验测量，了解引向天线的振子位置、数量、几何尺寸与各电参数之间的关系。

①由一个无源振子和有源振子构成一个二元引向天线，通过改变无源振子的尺寸以及无源振子和有源振子的间距，测量其方向图，研究引向天线中，无源振子所起的反射作用或引向作用；

②以一个无源振子作反射器、一个无源振子作引向器和一个有源振子构成三元引向天线并测量其方向图；以一个无源振子作反射器、三个无源振子作引向器和一个有源振子构成五元引向天线，测量其方向图，通过改变无源振子的数量，研究振子数量与天线方向图的关系。

4 结论

天线实验系统通过设计引向天线的结构，使其调整更加方便、灵活，并与设计的符合性能要求的天线放大器配合，可以根据各个学校实验成本的具体情况，按照不同配置的测试仪器进行实验，开展多个验证性、设计性的天线实验项目。

配合天线实验系统开展的天线实验项目，通过在实验过程中学生的实际动手设计、调整和测试，使学生将理论知识与工程实践结合在一起，不仅巩固、深化了学生的理论知识，还可以培养其实际工程经验。

［1］苏光杰.高灵敏度天线实验系统[J].桂林电子工业学院学报,2001,21(4):69-71.

［2］张建华,黄冶.电磁波极化和天线极化的教学研究[J].电气电子教学学报,2011,10(4):111-114.

［3］康行健.天线原理与设计[M].北京:北京理工大学出版社,1993.