综合探究型微波技术实验教学的研究

李婵娟, 滕君华, 傅世强, 李 超, 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)

传统的实验内容大多以验证性和演示性实验为主,尤其是微波天线类课程相关的实验,由于种种原因仍无法开设出完整的课程实验,因此改革方向逐渐由演示实验转向虚拟仿真实验。虽然虚拟仿真实验能够解决一定的问题,但在学生创新能力的提高效果方面,单一的虚拟仿真实验,却远远不及更加贴近工程化的实物实验。目前国内部分高校针对本科高年级学生，积极开展了微波天线类的综合型实验,该类实验根据给定的技术指标和实验要求,在系统级的实验箱上,学生针对每个模块功能进行仿真设计,最终完成系统的调试。虽然具有一定的整合性和设计性,但是在创新性和探究性方面仍略有欠缺。探究性实验教学,是教师引导学生去研究和探索的过程式教学方法,通过这种教学方法,培养学生的科学探索和创新能力[1-2]。近年来,微波能量收集是一个热门的研究方向[3-4],本文以微波输电的智能无线数据采集系统实验为例,从创新性和探究性角度出发,针对微波技术实验课程,给出了一种综合探究型的实验方案。

1 实验系统组成及原理

设计的基于微波输电的智能无线数据采集系统,整体结构如图1所示,主要由前端天线、整流电路、单片机传感器模块以及数据回传模块构成。主要通过微波功率发生器向数据采集系统发射微波信号,由前端天线接收的微波能量经过整流电路转换为直流电,供给单片机工作,进而通过温度传感器获取温度数据。可设定单片机的工作模式,使其周期性地向PC端传输数据。所传数据在接收PC端显示出来,实现对测量数据的读取工作。

图1 基于微波输电的智能无线节点数据采集系统框图

1.1 实验系统前端接收天线的设计

为了能够接收空间4 G、WIFI、RFID等频段电磁波,需要设计一款能在0.8 GHz～2.7 GHz频段工作的天线,并具有良好的方向性和增益。由于对数周期天线具有频带宽、增益高、方向性强等特性,因此可以将其作为系统的接收天线。考虑到天线的小型化和制作简易化,可以采用微带的形式来制作天线,介质基板采用相对介电常数为4.4、厚度为1.6 mm的FR4板。

根据方向性系数与比例因子σ和间隔因子τ的关系,选定σ为0.88,τ为0.16。根据对数周期天线设计原理计算得出天线最长振子长度为104.8 mm,最大振子间距为33.5 mm,最长振子的宽度为3.2 mm,振子总数为15。然后根据上述得到的天线的初始结构尺寸,在电磁仿真软件HFSS14.0中建立天线仿真模型,接着对不同最大振子长度进行S11曲线仿真对比,最终得出,振子长度取值120 mm时在整个工作频段上S11曲线均小于-15 dB,如图2所示,能够实现对数周期天线在宽频带上有着比较高的回波损耗。

图2 微带对数周期天线的S11曲线

在天线方向特性上,中心频率为1.8 GHz的辐射方向，如图3所示,可见其方向特性较好。同时在点频0.95 GHz、1.8 GHz、2.4 GHz处的增益分别达到了6.14 dBi、7.29 dBi、7.0 dBi,在所设计的宽频带上实现了较好的增益。

图3 天线在1.8GHz处的辐射方向图

1.2 宽带整流电路设计

根据系统要求,设计的整流电路需要将天线接收的微波能量转化为直流电,且具有较高的整流效率。整流电路一般包括输入滤波器、整流二极管、输出滤波器、阻抗匹配电路以及负载。由于所需带宽比较宽,所以L型和T型匹配网络不再适用,而是采用上下2个支路,分别实现0.8 GHz～1.6 GHz和1.6 GHz～2.7 GHz的匹配。每个支路的匹配均采用4节切比雪夫匹配变换器实现宽带,且最后一节微带线用电感来代替。设计好电路后,利用ADS仿真软件搭建基本电路,然后进行仿真优化测试。

为了给单片机MSP430供电,要求设计的整流电路要将接收到的电磁信号通过整流,能够输出1.8 V～3.6 V的电压。因此可选择HSMS286c倍压整流二极管。输入滤波器采用6阶阻抗阶跃低通滤波器,其截止频率为2.7 GHz,在5 GHz的插入损耗至少为20 dB,输入输出阻抗均为50 Ω。高阻抗定为113 Ω,对应线宽为0.5 mm。低阻抗定为22 Ω,对应线宽为10 mm。通过调试优化,然后进行版图联合仿真。仿真结果表明,该输入低通滤波器在通带0～2.7 GHz的插入损耗小于0.5 dB,在5 GHz处的插入损耗为26.767 dB,满足要求。输出直流滤波器则采用常见的λ/4微带线与射频电容并联的结构。

1.3 数据采集收发模块的设计

数据采集收发模块包含以下几个模块:温度传感器模块、无线收发模块、串口通信模块以及电源管理和储能模块。这几个模块分别通过MSP430、433无线收发模块、串口通信软件以及LTC3108IDE电源管理器来实现其功能。

本系统使单片机工作在LPM3低功耗工作模式下,利用Timer0_A定时器中断,每隔3 s产生1次中断,让单片机跳出低功耗模式,利用单片机将传感器收集到的数据经过433 M无线收发模块传到电脑,期间全部用电由天线收集的微波能量提供。为了合理调度和利用收集到的电磁能,将其存于一个储能电容中,利用LPR6235—752SMLC型升压变压器和1个LTC3108IDE电源管理器设计了一个电源管理和储能模块。433M无线收发模块采用的是E61-TTL-50模块,通过UART接口连续传输方式,波特率为9 600数据传输距离可达1 000 m。串口通信的实现可令PC机与E15-USB-T2连接,实现UART到USB的转换,从而与PC机正常通信。PC端则利用串口助手软件进行数据的提取。

1.4 系统实现与测试结果

加工后的对数周期天线、整流电路以及电源管理电路的实物图如图4所示。

将电源管理和储能模块输入端接到整流电路的输出端,如图5所示,经测试,天线将接收到的电磁能量经整流电路得到直流信号,再通过电源管理和储能模块,直流电压可渐渐存储至3.12 V。

最终微波输电系统搭建如图6所示,向系统前端发射微波信号后,发射端口开始收集微波能,整流电路将天线接收到的微波能转化为直流电能,供给单片机工作,单片机控制温度传感器获取温度信息,再由433 M发射模块向接收模块传送数据,最后通过电脑串口助手软件显示出来。

图5 系统储能测试结果

图6 微波输电温度采集系统

2 在综合探究型实验中的应用

将上述系统应用在大学本科实验中,可选择安排在三年级的微波或天线实践类课程里。探究型实验教学模式有别于传统实验教学模式的一个重要特点就是采用分组制、团队协作的方式进行[5]。因此,在实验形式上,可采用3～5人一组、课上和课下相结合的方式进行。例如该实验计划分配16学时来完成,则课上可分配6学时,主要完成实验要求和仪器的说明、实验方案的确认以及实验结果的答辩和检查等工作。课外则分配10学时进行,用于各组自主调查、研究和调试。实验室利用空闲时间对学生开放。实验的考核形式可采用撰写报告和PPT答辩的进行,既锻炼学生的技术文档写作能力,也提高学生的语言表达能力。

在实验内容扩展上,教师可以在指导每组学生的过程中,根据每组的情况适当引入探究型的问题,让学生“在研究中学,在学中研究”。例如,在本实验系统中,可以分别针对天线设计环节、整流电路设计环节以及在单片机应用的数据收发模块环节,分别引入探究性问题。在天线设计环节上,可引导学生采用其他天线形式,比如全向圆极化天线[6-7]是否收集的微波能量更多、更快,以及尝试优化天线的不同参数等,针对仿真和实物测量效果尝试进行对比分析讨论,也可采用微带阵列天线作为前端微波信号的收集天线[8]等；在整流电路设计环节上,可以尝试二极管和输出滤波器匹配,省掉匹配网络,从而实现小型化整流电路[9],也可尝试双频匹配网络和直通滤波器，分别实现二极管的输入匹配和抑制双频的基频与高次谐波[10]等方案；在单片机控制模块上,温度传感器也可以改变为其他传感器等；或从其他应用角度出发,利用单片机控制其他不同功能的模块；也可替换自己设计的无线传输模块,尝试自己编辑PC端软件等。让学生从兴趣出发进行不同的尝试,进而从尝试的不同方案中收获更多的知识点。当然每组选定方案后需要和指导教师进行方案可行性的确认,实验过程中遇到疑难问题也需要及时向教师反馈,通过师生共同合作的教学模式来完成这样一个综合探究型的实验。

在实验的选题上,可以来源于历年竞赛、简化的科研项目、大学生创新项目的深入研究或者最新科研论文的改进,甚至是限定知识点范围内学生感兴趣的任何题目。完成后也可作为本科毕业设计的一部分,解决了因找工作与毕业设计的时间冲突等问题。

改革后的综合探究类型的实验,能够极大地锻炼学生的综合设计、团队协作能力以及科研能力。与传统实验内容相结合的教学形式,可以全方位地让学生理解所学知识,激发学生创新兴趣。

3 结语

为贯彻落实国家教育改革与发展方针,即注重创新人才的培养,提出了将探究型实验引入射频微波和天线类综合设计性实验的思路。实验不拘泥于课上,更多的扩展性和探究性的内容留给课后,摒弃了传统的以教为主、以验证性实验为主的实验教学思路,改用启发式、讨论式、师生共同协作式的教学方式。这种方式对指导教师的业务水平也有更高的要求,教师需要与时俱进,不断充实自我、提高自我,才能将新技术、新思路引入到实验教学中来。这样的实验教学方式,不仅能够极大地调动起学生的学习积极性,而且也更有利培养出适应当前社会需求的创新型人才。

References)

[1] 王革思,周天,潘大鹏,等.基于探究式教学的“数字电子技术”实验案例设计[J].实验技术与管理,2017,34(2):166-169.

[2] 卢晓南,邵文祥,路千里,等.探究性实验教学中创设问题情境的有效策略[J].实验室科学,2017,20(1):238-240.

[3] 傅世强,李婵娟,房少军.基于相控阵天线的微波输能实验教学系统设计与实现[J]. 实验技术与管理,2016,33(5):87-91.

[4] 王颖,韦高,董亚洲,等.微波能量传输系统设计及试验[J].中国空间科学技术,2017,37(03):19-27.

[5] 赵华绒,秦敏锐,蔡黄菊,等.如何发挥实验技术人员在探究型实验教学中的作用[J].实验室研究与探索,2017,36(2):153-156.

[6] 伊向杰,周鹏,栗曦,等.一种全向圆极化微带天线[J].微波学报,2016,32(增刊1):177-179.

[7] 全旭林,李融林.一种宽带全向圆极化天线[J].电子学报,2014,42(1):187-190.

[8] 汪涛,刘士兴,黄正峰,等.平面相控阵天线的单元设计与分析[J].实验技术与管理,2015,32(1):75-78.

[9] 丁恩杰,衡条条,邱炜玮,等.井下小型化微波输能整流电路的研究与设计[J].电子技术应用,2014,40(1):93-96.

[10] 张煦,王志红,张海力,等.一种新型低功率双频微波整流电路[J]. 微波学报,2016,32(3):73-77，81.