CN107464483A - 一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统 - Google Patents

一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统，包括安装接地板，安装接地板两端分别连接有U型金属板，U型金属板位于安装接地板两端上部，U型金属板其中三边与所在位置处的安装接地板三边相齐，每个U型金属板上均平行设有两个SMA射频接头安装孔，SMA射频接头安装孔内均插入SMA射频接头，安装接地板上还对称设置有两个微带电路板，每个微带电路板上均平行设置有两条微带传输线，两条微带传输线之间的安装接地板为积木模块放置区，积木模块放置区能够活动替换安装实现不同功能的积木模块组，本发明解决了现有微波无源器件辅助教学系统中存在的仅适合少量单个微波器件的辅助性教学，难以胜任整个系统及系统所需的多个器件的问题。

Description

一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统
技术领域
本发明属于微波教学装置技术领域，涉及一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统。
背景技术
微波课程教学中涉及了大量的微波元器件，与工程实际联系非常紧密，为了将理论和实际联系，目前采取措施可归纳如下：
以波导测量线为基础开设《微波技术基础》实验课。波导测量线与传输线直接相关，概念清晰，操作容易，然而，实验项目主要与长线理论相关，且仅涉及极少的波导器件。
采用虚拟仿真实验的办法，虚拟仿真比课本理论接近实际，具有易操作、成本低的优点，然而与工程实践还有差距，学生缺少实践动手环节。
各种射频微波实训系统，为了满足高校微波射频工程实践教学的需求，一些企业不断推出射频微波实训系统，如安泰信ATRF3033、固纬GRF-3300、润众RZ9909等，这些射频微波实训系统包括有各种器件。各种器件有透明的玻璃板便于学生直观的看到器件和电路的结构，但学生还是只能作为旁观者，只能看，器件和电路都已经是设计好制作好的，学生亲自参与和体验的较少，缺乏深层次的激励，导致知其然不知其所以然。在培养学生设计能力和创新能力方面还是欠缺的。
体现设计性的实验教学开发板，为了培养学生设计能力和创新能力，华南理工大学、大连海事大学等地方高校开发了用于射频微波无源器件设计性实验教学的开发板。通过让学生自己动手设计，用铜箔纸在介质基板上粘贴制作射频器件，开发板的设计能够让学生参与到电路和器件的制作中，可提高学生的动手能力，培养学生的创新意识和探索精神，但是开发板要求学生掌握器件设计理论、学会电磁场专业仿真工具，根据仿真结果生成1：1版图，用铜箔纸剪出和版图完全一致的图形粘贴在介质基片上。对本科生尤其对非微波专业本科生而言，主要是掌握各种器件的结构、原理和工作特性，要掌握每种器件的仿真和设计，难度还是相当大的。另外，微波器件对尺寸公差要求很高，手工剪的电路图不好操作，误差也较大，测试结果会差别很大。因此，这种方式仅适合少量单个微波器件的辅助性教学，对于整个系统及系统所需的多个器件也难以胜任。
发明内容
本发明的目的在于提供一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统，解决了现有微波无源器件辅助教学系统中存在的仅适合少量单个微波器件的辅助性教学，难以胜任整个系统及系统所需的多个器件的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统，包括安装接地板，安装接地板两端分别连接有U型金属板，U型金属板位于安装接地板两端上部，U型金属板其中三边与所在位置处的安装接地板三边相齐，每个U型金属板上均平行设有两个SMA射频接头安装孔，SMA射频接头安装孔内均插入SMA射频接头，安装接地板上还对称设置有两个微带电路板，每个微带电路板上均平行设置有两条微带传输线，每条微带传输线与所在一侧的 SMA射频接头位于同一直线上且通过SMA射频接头的内导体焊接连通，所述两条微带传输线之间的安装接地板为积木模块放置区，积木模块放置区开有安装螺孔，积木模块放置区能够活动替换安装实现不同功能的积木模块组，包括微带功率分配器模块组、微带分支线定向耦合器模块组和微带环形电桥模块组。
本发明的特点还在于，
微带功率分配器模块组由四个积木模块组成，每个积木模块均开有安装孔，安装孔与所述积木模块放置区的螺孔相对应，微带功率分配器模块组上设置有中间环微带线和三个端口，中间环微带线被四个积木模块分成四段，中间环微带线通过分支线到达三个端口，三个端口分别位于三个积木模块上。
微带功率分配器模块组的四个积木模块大小相同，均采用厚度为 1mm的FR4介质板，工作频率为2.4GHz，但上面微带电路布局各不相同。
微带功率分配器模块组的三个端口特性阻抗均为50Ω，中间环的特性阻抗为70.7Ω，半环长为波导波长的四分之一，焊接隔离电阻阻值100Ω。
积木模块组为微带分支线定向耦合器模块组，微带分支线定向耦合器模块组由四个积木模块组成，每个积木模块均开有安装孔，安装孔与所述积木模块放置区的螺孔相互对应，微带分支线定向耦合器模块组上设置有中间环微带线和四个端口，中间环微带线是由两条宽线和两条窄线组成的矩形环，两条宽线和两条窄线分别对称设置，所述中间环被四个积木模块分成四段，中间环微带线通过分支线到达四个端口，四个端口分别位于四个积木模块上。
微带分支线定向耦合器模块组的四个积木模块大小相同，采用厚度为1mm的FR4介质板，工作频率为2.4GHz，但上面微带电路布局各不相同。
微带分支线定向耦合器模块组的四个端口特性阻抗均为50Ω，中间两条宽线的特性阻抗为35.3Ω，中间两条窄线的特性阻抗为50Ω，四条线长均为波导波长的四分之一。
积木模块组为微带环形电桥模块组，微带环形电桥模块组由四个积木模块组成，每个积木模块均开有安装孔，安装孔与所述积木模块放置区的螺孔相互对应，微带环形电桥模块组上设置有中间环微带线和四个端口，所述中间环被四个积木模块分成四段，中间环微带线通过分支线到达四个端口，四个端口分别位于四个积木模块上。
微带环形电桥模块组的四个积木模块大小相同，采用厚度为 1mm的FR4介质板，工作频率为2.4GHz，但上面微带电路布局各不相同。
微带环形电桥模块组的四个端口特性阻抗均为50Ω，中间环的特性阻抗为70.7Ω，环周长为1.5倍的波导波长。
本发明的有益效果是，积木模块式微波无源器件辅助教学系统，将不同的微波无源器件切割成相同大小的模块，模块表面的电路图形各不相同，对可实现的微波无源器件需选取四个模块来搭建，而对不同的无源器件，搭建所需的安装接地板是通用的，因而整个系统在最简化的情况下，能够搭建三种不同的微波无源器件，搭建出的微波无源器件是准确设计的器件，而且能够测量，能够组合形成功能复杂的多端口器件，可以直接在系统里面应用。
附图说明
图1是本发明一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统的安装接地板的结构立体图；
图2是本发明一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统的安装接地板的结构俯视图；
图3是本发明一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统的安装接地板的结构组装图；
图4是本发明一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统的微带功率分配器积木模块组的结构图；
图5是本发明一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统的微带功率分配器积木模块组与安装接地板的组装结构图；
图6是本发明一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统的微带分支线定向耦合器模块组的结构图；
图7是本发明一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统的微带分支线定向耦合器模块组与安装接地板的组装结构图；
图8是本发明一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统的微带环形电桥模块组的结构图；
图9是本发明一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统的微带环形电桥模块组与安装接地板的组装结构图。
图中，1.安装接地板，2.U型金属板，3.SMA射频接头安装孔， 4.SMA射频接头，5.内导体，6.微带电路板，7.微带传输线，8.积木模块放置区，9.微带功率分配器模块组，10.微带分支线定向耦合器模块组，11.微带环形电桥模块组。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明实施例中一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统的安装接地板的结构立体图、俯视图和组装图，如图1、图2和图3所示，本包括安装接地板1，安装接地板1两端分别连接有U型金属板 2，所述U型金属板2位于安装接地板1两端上部，U型金属板2其中三边与所在位置处的安装接地板1三边相齐，每个U型金属板2 上均平行设有两个SMA射频接头安装孔3，SMA射频接头安装孔3 内均插入SMA射频接头4，安装接地板1上还对称设置有两个微带电路板6，每个微带电路板6上均平行设置有两条微带传输线7，每条微带传输线7与所在一侧的SMA射频接头4位于同一直线上且通过SMA射频接头4的内导体5焊接连通，两条微带传输线7之间的安装接地板1为积木模块放置区8，积木模块放置区8开有安装螺孔，积木模块放置区8能够活动替换安装实现不同功能的积木模块组，包括微带功率分配器模块组9、微带分支线定向耦合器模块组10和微带环形电桥模块组11。
其中，如图4、图5所示，积木模块组为微带功率分配器模块组 9，微带功率分配器模块组9由四个积木模块组成，每个积木模块均开有安装孔，安装孔与积木模块放置区8的螺孔相对应，微带功率分配器模块组9上表面设置有中间环微带线和三个端口，中间环微带线被四个积木模块分成四段，中间环微带线通过分支线到达三个端口，三个端口分别位于三个积木模块上。其中微带功率分配器模块组9的四个积木模块大小相同，采用厚度为1mm的FR4介质板，工作频率为2.4GHz，但上面微带电路布局各不相同。中间环的特性阻抗为70.7Ω，半环长为波导波长的四分之一，环连接三条微带线，其中一条为输入微带线，位于其中一个积木模块上，另外两条为输出微带线，分别位于两个积木模块上，特性阻抗均为50Ω，两条输出微带线的分叉处焊接隔离电阻，电阻阻值100Ω。环、三条微带线及隔离电阻构成整个微带功率分配器模块组9。各积木模块以及积木模块与微带电路板6上的微带线之间的连接采用相同线宽的不干胶铜箔粘连。
如图6、图7所示，积木模块组为微带分支线定向耦合器模块组 10时，微带分支线定向耦合器模块组10由四个积木模块组成，每个积木模块均开有安装孔，安装孔与所述积木模块放置区8的螺孔相互对应，微带分支线定向耦合器模块组10上设置有中间环微带线和四个端口，中间环微带线是由两条宽线和两条窄线组成的矩形环，两条宽线和两条窄线分别对称设置，中间环被四个积木模块分成四段，中间环微带线通过分支线到达四个端口，四个端口分别位于四个积木模块上。微带分支线定向耦合器模块组10的四个积木模块大小相同，采用厚度为1mm的FR4介质板，工作频率为2.4GHz，但上面微带电路布局各不相同。宽线特性阻抗为35.3Ω，长为四分之一波长，窄线特性阻抗为50Ω，长为四分之一波长，环连接四条微带线，分别为两条输入微带线及两条输出微带线，特性阻抗均为50Ω，环、四条微带线构成整个微带分支线定向耦合器模块组10。各积木模块以及积木模块与微带电路板6上的微带线之间的连接采用相同线宽的不干胶铜箔粘连。
如图8、图9所示，当积木模块组为微带环形电桥模块组11时，微带环形电桥模块组11由四个积木模块组成，每个积木模块均开有安装孔，安装孔与积木模块放置区8的螺孔相互对应，微带环形电桥模块组11上设置有中间环微带线和四个端口，中间环被四个积木模块分成四段，中间环微带线通过分支线到达四个端口，四个端口分别位于四个积木模块上。其中微带环形电桥模块组11的四个积木模块大小相同，采用厚度为1mm的FR4介质板，工作频率为2.4GHz，但上面微带电路布局各不相同。环特性阻抗为70.7Ω，环周长1.5倍波长，环连接四条微带线，分别为两条输入微带线及两条输出微带线，特性阻抗均为50Ω，环、四条微带线构成整个微带环形电桥模块组 11。各积木模块以及积木模块与微带电路板6上的微带线之间的连接采用相同线宽的不干胶铜箔粘连。
本发明实施例提供的一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统，其实施方式为，首先将微带电路板6用螺钉固定在安装接地板1 的底壁上，其次将SMA射频接头4插入U型金属板2的SMA射频接头安装孔3内，将其固定，最后将SMA射频接头4的内导体5与所接触安装接地板1上的微带传输线7焊接，微带线特性阻抗为50Ω，即完成安装接地板的组装，最后，在教学过程中，可将积木模块组放入积木模块放置区8，并将各微带线接头处用铜箔纸粘贴，通过测试其是否连接正确来教学。
本发明一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统，解决了现有微波无源器件辅助教学系统中存在的仅适合少量单个微波器件的辅助性教学，难以胜任整个系统及系统所需的多个器件的问题。

Claims (10)

1.一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统，其特征在于，包括安装接地板(1)，所述安装接地板(1)两端分别连接有U型金属板(2)，所述U型金属板(2)位于安装接地板(1)两端上部，U型金属板(2)其中三边与所在位置处的安装接地板(1)三边相齐，每个U型金属板(2)上均平行设有两个SMA射频接头安装孔(3)，SMA射频接头安装孔(3)内均插入SMA射频接头(4)，所述安装接地板(1)上还对称设置有两个微带电路板(6)，每个微带电路板(6)上均平行设置有两条微带传输线(7)，每条微带传输线(7)与所在一侧的SMA射频接头(4)位于同一直线上且通过SMA射频接头(4)的内导体(5)焊接连通，所述两条微带传输线(7)之间的安装接地板(1)为积木模块放置区(8)，积木模块放置区(8)开有安装螺孔，积木模块放置区(8)能够活动替换安装实现不同功能的积木模块组，包括微带功率分配器模块组(9)、微带分支线定向耦合器模块组(10)和微带环形电桥模块组(11)。
2.根据权利要求1所述的一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统，其特征在于，所述微带功率分配器模块组(9)由四个积木模块组成，每个积木模块均开有安装孔，安装孔与所述积木模块放置区(8)的螺孔相对应，所述微带功率分配器模块组(9)上设置有中间环微带线和三个端口，所述中间环微带线被四个积木模块分成四段，中间环微带线通过分支线到达三个端口，三个端口分别位于三个积木模块上。
3.根据权利要求2所述的一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统，其特征在于，所述微带功率分配器模块组(9)的四个积木模块大小相同，均采用厚度为1mm的FR4介质板，工作频率为2.4GHz，但上面微带电路布局各不相同。
4.根据权利要求2所述的一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统，其特征在于，所述微带功率分配器模块组(9)的三个端口特性阻抗均为50Ω，中间环的特性阻抗为70.7Ω，半环长为波导波长的四分之一，焊接隔离电阻阻值100Ω。
5.根据权利要求1所述的一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统，其特征在于，所述积木模块组为微带分支线定向耦合器模块组(10)，所述微带分支线定向耦合器模块组(10)由四个积木模块组成，每个积木模块均开有安装孔，安装孔与所述积木模块放置区(8)的螺孔相互对应，所述微带分支线定向耦合器模块组(10)上设置有中间环微带线和四个端口，中间环微带线是由两条宽线和两条窄线组成的矩形环，两条宽线和两条窄线分别对称设置，所述中间环被四个积木模块分成四段，中间环微带线通过分支线到达四个端口，四个端口分别位于四个积木模块上。
6.根据权利要求5所述的一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统，其特征在于，所述微带分支线定向耦合器模块组(10)的四个积木模块大小相同，采用厚度为1mm的FR4介质板，工作频率为2.4GHz，但上面微带电路布局各不相同。
7.根据权利要求5所述的一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统，其特征在于，所述微带分支线定向耦合器模块组(10)的四个端口特性阻抗均为50Ω，中间两条宽线的特性阻抗为35.3Ω，中间两条窄线的特性阻抗为50Ω，四条线长均为波导波长的四分之一。
8.根据权利要求1所述的一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统，其特征在于，所述积木模块组为微带环形电桥模块组(11)，所述微带环形电桥模块组(11)由四个积木模块组成，每个积木模块均开有安装孔，安装孔与所述积木模块放置区(8)的螺孔相互对应，所述微带环形电桥模块组(11)上设置有中间环微带线和四个端口，所述中间环被四个积木模块分成四段，中间环微带线通过分支线到达四个端口，四个端口分别位于四个积木模块上。
9.根据权利要求8所述的一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统，其特征在于，所述微带环形电桥模块组(11)的四个积木模块大小相同，采用厚度为1mm的FR4介质板，工作频率为2.4GHz，但上面微带电路布局各不相同。
10.根据权利要求8所述的一种积木模块式微波无源器件辅助教学系统，其特征在于，所述微带环形电桥模块组(11)的四个端口特性阻抗均为50Ω，中间环的特性阻抗为70.7Ω，环周长为1.5倍的波导波长。
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