射频微波与天线类课程综合创新性实验系统设计

摘 要：本课程综合创新性实验教学系统是为了激发学生实验兴趣并且提高实践教学质量而提出的。阐述了该系统的设计思想、功能，并且说明了电路的组成。通过八木天线实验，举例说明了实验教学方法。本系统设计思路清晰具体，具有模块化的特点，内容更易于激发学生的创造力，培养学生的综合能力，对学生的未来就业更有帮助。

关键词：实验系统；综合创新性；模块化设计；可视化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.112

许多高校为了培养射频微波技术人才理论与实践相结合的能力而开设了实验教学。

1 综合创新性实验系统简介与模块化设计

现阶段的本科实验中，许多学生对于验证性的实验大多数都是死记硬背器材与步骤，由于对所学知识与未来工作实际用途缺乏联系与认识，学生的积极性与主动性并不高。我们为了让学生们在学习中提升兴趣，锻炼发现问题，解决问题的能力，锻炼他们的研究能力，提出了本创新性实验教学系统，将电磁波规律形象生动的呈现出来，让电磁信号的产生和传输更加直观。本系统主要有三部分，分别是发射、接受装置与金属栅网。图1为实验原理图。

在此系统中，模块化思路贯穿始终，通过基本的设计、制作、测试再逐渐进行综合，其分析和调试均发生在系统层面上，提高了原先的效果。

射频有源器件、无源器件和信号检测电路均在电路模板上，局部与整体结合紧密，并有利于單独更新与开发。这种方式后期可以将LED模块更换为音视频输出工具，提高其实用性。

使用微带八木电线作为例子，进入实验教学设计环节。学生需要掌握各种相关设备的测试方法并且也要掌握单个模块的设计制作。图2为所使用的单元模块。

由于人类肉眼无法看到电磁波，因此对其直观认识有一定困难。我们借鉴了杨德强等人[1]的思路，通过LED灯将其具现化。电磁波极化的研究可以使电磁波的传播规律具体，对自由空间中电磁波的传播研究有所帮助。万双林等人[2]对不同线极化电磁波在无限长的窄缝和孔缝中的传播特性进行了理论分析，本文通过实际加工进行了验证，LED灯可以显示强弱变化，帮助学生的理解。

2 综合创新性实验内容和教学方法的设计

使学生掌握用先进科研手段设计研究射频电路是实验教学的主要任务。首先采用仿真软件ADS（advanced design system）和HFSS（high frequency structure simulator）仿真优化指定指标的射频电路和天线，随后得到电路模型的微带版图并加工制作微带电路板，最后测量调试。通过不断的重复试验与结果分析，进行不断地调试，得到最终结果。

该实验内容紧密结合了实际工程，所采用的许多器件直接是实际工程中的。由教师下达指标，根据实验材料自由设计，完成实验。理论知识均来自所学课程。

具体以微带八木天线为例。首先，学生需要利用所学理论知识以及文献检索[3，4]内容对天线尺寸进行设计计算，使学生理论基础更加扎实并锻炼文献检索与阅读能力；随后利用软件进行计算机建模和仿真，本部分可以促进学生掌握软件；接着让学生自己动手制作电路结构，天线使用雕刻刀和铜箔制作并粘贴至材料版上，锻炼学生制作能力；然后对其进行分析调试，有助于掌握测试方法；最后介入系统，实现天线功能。本实验灵活多变，易于推广到其他实验设计上。

3 结语

本文所提出的实验教学系统对于激发学生的学习兴趣，提高教学质量有着显著的效果。形象化的展示了射频微波信号的各种特性，展示了设计、仿真、制作与测试等单元模块，并以此为基础循序渐进到系统集成上。本系统的设计环节可以激发学生的创新性，提高学生的动手能力。在实验教学中取得了良好的反响。

参考文献：

[1]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（04）：253-255.

[2]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（02）：66-68.

[3]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（01）：51-54.

[4]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（07）：289-292.

作者简介：张忠辉（1980-），男，本科，助理工程师，从事微波射频方面的研究。