创新设计性天线实验教学改革与探讨

房少军，傅世强，李蝉娟

(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)

创新设计性天线实验教学改革与探讨

房少军，傅世强，李蝉娟

(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)

文中分析了天线实验教学缺乏创新设计性实验的原因，提出了一种开展创新设计性天线实验的教学改革方案。较详细地介绍了实验过程中的设计、仿真、制作、测试等各个环节，并讨论了实验测试结果，给出了实验成本。实践表明，所提出的天线实验教学改革方案可操作性强，具有良好的教学效果。

天线；实验教学；设计；仿真；测试

天线的作用是完成电磁波和射频信号之间的相互转换，是无线通信、无线广播、无线定位导航和RFID等系统中必不可少的单元。在无线技术飞速发展的形势下，众多国内外企业均面临着自主开发各种天线技术的需求。

天线工程师需要学习电磁场理论、微波技术、天线与电波传播等课程，而且这些课程的实验教学环节对培养天线技术人才起着重要的作用。但目前这些课程的实验教学却不如人意，绝大多数高校的天线实验仅限于使用仪器测量天线的特性，实验均是验证性的，设计方面的实验内容几乎为零[1-3]。少数高校适应市场需求，开设了天线仿真设计实验，但缺乏实际动手环节，其效果大打折扣[4-7]。

目前，天线实验中缺乏创新设计性实验是不争的事实，其原因主要包括：(1)天线测量仪器价格昂贵，很多高校资金不足，甚至开不出验证性的实验；(2)天线加工制作成本高，学校没有加工条件。虽然少数高校开设了基于微波介质板的微带天线仿真实验，但微带天线的加工需要雕刻或者腐蚀，不能像电子线路实验那样让学生用面包板进行设计、搭建电路并测试。因此，众多高校不能为学生提供设计、制作、测试的实践环节。

以培养出合格的天线工程师和培养学生的创新意识为教学目标，有必要增加天线实验中的设计动手环节。为此，我们进行了实验课的改革。

我们的思路是：(1)选择足够可靠和测量精度的国产低价格仪器；(2)设计一个微波介质电路板，使其能够重复使用，从而降低天线设计制作的成本；(3)实验中要有学生发挥的环节，从而培养他们的创新意识。

1 创新设计性天线实验教学思路

创新设计性天线实验教学的想法来源于科研工作的实践。我们承担并完成了许多基于微带结构的天线科研项目。在这些项目的研究过程中，需要反复在微波介质板上进行实验，而我们的实验手段就是采用铜箔在微波介质板上进行粘贴。因此，我们设计制作了一个能够反复使用的微波实验板，让学生在这个微波实验板上制作各种微带天线。

我们提出的创新设计性天线实验教学内容就是设计各种微带天线，也包括了天线馈电网络的设计。实验不仅仅是设计性的，而且还有学生自己可以自由发挥的环节。

实验过程包括：理论设计、电磁仿真、制作和指标测试。另外，还安排了工程验证的环节。

2 实验教学过程

基本的微带天线实验教学设计过程如下所述。

2.1 设计计算

微带天线设计实验的第一个环节是计算如图1所示的微带天线尺寸。微带天线辐射贴片的宽和长是根据以下公式计算的[8-9]。

(1)

(2)

式中：W为辐射贴片的宽度；L为辐射贴片的长度；f0为天线工作的中心频率；c为光速；εr为微波介质的相对介电常数。式中的εe和ΔL可根据下面的公式计算。

(3)

(4)

例如，选择εr为2.65、厚度h为3mm的微波介质材料，给定天线工作的中心频率为1.48GHz，则可以计算出：W=75 mm，L=60 mm。

图1 微带天线结构图

2.2 电磁仿真

设计性天线实验的第二个环节是进行电磁仿真。仿真工具采用Ansoft HFSS三维电磁仿真软件。根据计算结果，在HFSS软件中建立微带天线仿真模型[10]。通过仿真会发现回波损耗指标较差，在中心频率1.48 GHz处，回波损耗不到4.5 dB，说明天线的输入阻抗与馈源阻抗50 Ω没有实现较好的匹配。图2给出微带天线输入阻抗的仿真曲线。可以看到，在中心频率1.48 GHz处天线的输入阻抗为Zin=20.6+j42.5Ω。由于馈源阻抗为50Ω，需要设计一个匹配网络来提高技术指标。匹配网络的设计可以根据理论计算，也可采用微带线匹配网络设计软件进行[11-12]。

图2 微带天线输入阻抗的仿真曲线

图3给出了加入匹配网络后的微带天线仿真模型。加入匹配后的微带天线回波损耗仿真结果如图4所示，由图4可知，指标达到了技术要求。

为培养学生的创新意识，提倡学生在仿真环节尝试几种不同方式来实现匹配，例如串联匹配、并联匹配和双短截线匹配等。另外，还可以尝试采用不同形状的贴片。学生通过比较不同方法获得的技术指标，会对射频匹配技术有更深刻的认识。

图3 加匹配后的微带天线仿真模型

图4 加入匹配网络后微带天线回波损耗的仿真

2.3 微带天线的制作

我们为手工制作微带天线准备了手术刀、钢尺(包括电子卡尺)、胶带、双面导电的铜箔或铝箔，一个用于检查电气连接的万用表。特别需要说明，我们设计了一个微波介质实验板。它是一个装有射频接头的单面覆铜微波材料板(面积为180mm×200mm，相对介电常数εr=2.65，厚度h=3mm)，所设计的微带天线就是在这个微波介质实验板上实现。为降低实验教学成本，选用了国产微波矢量网络分析仪PNA3621作为测量仪器。

按照仿真给出的版图，用手术刀在铜箔上裁割出相应的图案，并贴到已经装有接头的微波介质板上，用万用表检查连通情况，然后，就可以对制作出的微带天线进行测试了。

2.4 微带天线的测试

将手工制作的微带天线与测试仪器连接，测量微带天线的驻波比(回波损耗)。如果实测与仿真结果不一致，就需要对辐射贴片和匹配网络进行修改。修改的方法是增大或减小辐射贴片的尺寸(可裁去或贴上一条铜箔)，同时对匹配网络的并联枝节长度进行调整。图5给出了最终调整完毕后微带天线的驻波比实测曲线。可以看到，实测结果与仿真结果具有良好的一致性，表明设计获得了成功。

图5 微带天线驻波比实测曲线

3 实验成本核算

每个实验组每次实验消耗的材料为双面导电铜箔5cm×15cm,价格约0.6元。

每个实验组每次使用的器具：手术刀一把(10元)、小钢尺一把(3元)、电烙铁一把(20元)、万用表一台(150元)、矢量网络分析仪一台(4万元)。因为，每个实验组不会同时完成天线制作，所以，如果资金紧张，可以考虑五个实验组共用一台矢量网络分析仪的方式进行实验。

4 结束语

在国内高校中，我们较早地开设了天线创新设计性实验，实验过程包括了设计、仿真、制作和测试全部环节，取得了良好的教学效果。

实践表明，提出的天线设计性实验教学方案是低成本和行之有效的，可提高学生的兴趣并培养学生的创新意识。矢量网络分析仪价格相对高一点，若资金不足，可以考虑采用多组共用一台的办法解决。另外，在实验的操作中，学生使用手术刀有划伤的可能，需要指导教师反复强调安全问题。

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Study for the Creative and Designed Experiment of Antenna Experiment Teaching

FANG Shaojun, FU Shiqiang, LI Chanjuan

(State Electrical and Electronic Experiment Teaching Demonstration Center, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

The reasons for lacking of creative and designed experiment in antenna experiment course is analyzed. And a reforming scheme—creative and designed experiment for antenna experiment teaching is proposed. The design, simulation, fabrication and measurement in the experiment are introduced in detail. The article also discusses the measured result, and gives the cost of the experiment. The practice shows the proposed scheme has very strong operability and obtained a good teaching result.

antenna; experiment teaching; design; simulation; measurement

2014-04-27；修改日期: 2014-10-02

辽宁省教育厅教改基金资助项目(辽教发[2012]130号)；大连海事大学教改基金资助项目(2012Y11)。

房少军，(1957-)，男，博士，教授，主要从事电磁场与微波技术方面的教学和科研工作。

G642.0；TN 015

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.024