引向天线教学实验系统的设计.doc
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1、引向天线教学实验系统的设计 【摘 要】本文介绍了一种利用引向天线在本科教学中开展天线实验项目的原理和方法。设计了一种适合开展天线实验测试项目的引向天线装置和高灵敏天线放大器电路。文章还说明了天线实验的具体内容和方法,适合于本科学生开展验证性实验和设计性实验。结果表明,这种实验方法,有利于提高学生对天线理论课程的理解,并可以提高学生的实践动手能力。 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
2、。 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
3、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。 图1 实验系统组成 2.1 引向天线的设计制作 根据系统的工作频率500
4、MHz,可以计算出其工作波长为=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100500MHz,输入信号动态范围为:-60dBm20dBm,噪声系
5、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
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