孫 巖 李 峰 陳文勝

1.哈爾濱工程大學(xué) 黑龍江哈爾濱 150001 2.黑龍江省體育局 黑龍江哈爾濱 150001

基于拓展實驗教學(xué)內(nèi)涵的HF多波段八木天線塔自研建設(shè)

孫 巖1李 峰2陳文勝1

1.哈爾濱工程大學(xué) 黑龍江哈爾濱 150001 2.黑龍江省體育局 黑龍江哈爾濱 150001

我校電工電子實驗教學(xué)中心為適應(yīng)課程改革需要，歷時3個月自研完成用于滿足業(yè)余無線電通信、無線電測向課程實驗教學(xué)需要的HF多波段八木天線塔，建立天線塔管理和使用制度及定期檢查、保養(yǎng)和維護措施，融入自研設(shè)備優(yōu)勢資源，形成實驗指導(dǎo)書、自制設(shè)備開發(fā)總結(jié)報告。通過自研設(shè)備建設(shè)，促進學(xué)校獲批建設(shè)“業(yè)余衛(wèi)星通信監(jiān)測站”，成為全國業(yè)余衛(wèi)星監(jiān)測站網(wǎng)成員，提高了學(xué)校實驗室建設(shè)特色，適應(yīng)實驗教學(xué)課程改革、創(chuàng)新發(fā)展要求，廣泛滿足大學(xué)生科技創(chuàng)新、實踐的多種需求，促進高素質(zhì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，提升了學(xué)校的社會聲譽。

實驗教學(xué)；HF多波段；八木天線；自建設(shè)備；研究

我校國家級電工電子實驗教學(xué)中心為適應(yīng)課程改革需要，開設(shè)了以“創(chuàng)新實踐”為核心的“漸進式”系列特色課程，自2008年開課以來，選課場面逐年火爆，開創(chuàng)了新生1500人選課的歷史新高，受到校領(lǐng)導(dǎo)、校教學(xué)部門的廣泛關(guān)注。其中業(yè)余無線電通信課程是學(xué)生普遍選修較多的一門實踐課程，2010年有260余人報名選修了該課程，課程以業(yè)余電臺的原理講授、模塊搭建、套件調(diào)試、上機通聯(lián)為主要教學(xué)形式。然而，以往只是在頂樓架設(shè)一個極為簡易的水平天線，配合短波電臺使用僅能滿足最基本的通聯(lián)，且極易受干擾，通聯(lián)效果較差，難以和國內(nèi)、國外電臺有效通聯(lián)，為滿足現(xiàn)已開設(shè)的業(yè)余無線電通信等課程需要，我們根據(jù)實際需求開展了與業(yè)余電臺通信相適應(yīng)的HF多波段八木天線塔的自制建設(shè)研究，同時為本校業(yè)余無線電愛好者提供一個交流學(xué)習(xí)的平臺。

1 HF多波段八木天線的設(shè)計與自制

八木天線是一種引向天線，由一個有源振子和多個無源振子放置在同一平面上，并且垂直于連接它們中心的金屬桿。一般一個無源振子為反射器，其余的無源振子為引向器。因為金屬桿通過振子上的電壓波節(jié)點，并垂直于天線，所以，金屬桿對天線的近場影響很小。而有源振子必須與金屬桿絕緣。

八木天線的單元越多，方向性越強。但是單元的增加不與方向性成正比。單元過多時，導(dǎo)致工作頻帶變窄，整個天線尺寸也將偏大。在短波波段，波長較長，因此八木天線的設(shè)計與自制比較困難。

1.1 40m波段八木天線設(shè)計

此波段為我校實踐課程教學(xué)前期的入門波段之一，該波段也是最“擁擠”最熱鬧的波段。操作范圍比較窄，幾乎全年全天可以進行通聯(lián)(QSO)。由于業(yè)余電臺實驗室全天開放，在白天，可以進行幾百公里的通聯(lián)活動，在傍晚可以進行遠(yuǎn)距離通訊。在業(yè)余業(yè)務(wù)使用要求范圍內(nèi)，國內(nèi)HAM在7.050～7.070MHz之間用LSB進行通聯(lián)。其設(shè)計原理如圖1所示。

1.2 20m波段八木天線設(shè)計

20m波段(14.00～14.350MHz),這個頻段是著名的DX(遠(yuǎn)距離通訊)頻段,原因是這個頻段主要是靠電離層F層進行全球通訊。傳播比較穩(wěn)定,太陽的活動和季節(jié)的變化對傳播影響比較小，電離層開通的時間比較長。在冬季傳播稍差,春秋兩季開始開通全球傳播,在夏季，即使在白天也有DX通訊的可能。在這個頻段DX通訊的人多,是狩獵珍稀電臺最佳頻段,這個頻段是組織學(xué)生開展課外業(yè)余電臺通信競賽的常用頻段。這個頻段的天線可以做得比較小巧，采用八木定向天線，天線的增益也比較高。其設(shè)計原理如圖2所示。

圖2 20m波段八木天線設(shè)計原理圖

1.3 15m波段八木天線設(shè)計

15m波段(21.00～21.450MHz),另外一個實踐課程教學(xué)前期的入門頻段，是一個比較好的DX頻段。主要是靠電離層F層反射，太陽活動、晝夜和四季等的變化對這個頻段的影響較大，當(dāng)太陽活動比較活躍時，是DX聯(lián)絡(luò)的主要波段，太陽活動低潮期，遠(yuǎn)距離通訊比較困難。在春秋兩季，早上可以進行與美洲通訊，下午可以與大洋洲和東南亞通訊，傍晚則開通歐洲和非洲。背景雜音比較小，加上天線尺寸比較小，用小功率就可以進行DX通訊。其設(shè)計原理如圖3所示。

圖3 15m波段八木天線設(shè)計原理圖

1.4 10m波段八木天線設(shè)計

10m波段(28.00～29.70MHz)是短波段的最高頻段,也是短波段中頻帶最寬的頻段,傳播特性介于HF和VHF之間,主要特點是受太陽活動的影響大,有突發(fā)E層傳播現(xiàn)象，一旦開通傳播電離層衰減小，頻率雜音較小，天線增益容易做高。在電離層沒有反射時，只能作視距傳播。當(dāng)傳播開通時，卻可以用很小的功率進行出乎意料的遠(yuǎn)距離通訊。其設(shè)計原理如圖4所示。

圖4 10m波段八木天線設(shè)計原理圖

1.5 天線總體設(shè)計與塔體設(shè)計

10m，15m，20m和40m四波段，12單元八木天線，4副八木天線整合為一根主梁，主梁為鋁合金方管25mm×25mm，振子采用Φ13和Φ10鋁管，四波段八木天線展開面積是8m×12m。

天線架設(shè)鐵塔高12m，主體材料為國標(biāo)4×6角鐵焊接，重約300千克。

2 天線架設(shè)與塔體固定可行性論證

2.1 架設(shè)地點安全

安裝平臺長12m，寬8m，完全可以滿足四波段八木天線的架設(shè)；天線架設(shè)所選地點附近空中無電線、高壓線；頂樓平臺現(xiàn)已封閉，無人員接近；將天線塔架設(shè)于平臺上不影響周圍樓梯整體美觀。

2.2 高度設(shè)置最優(yōu)

天線高度直接與信號的覆蓋范圍有關(guān)。一般來說，信號覆蓋范圍受兩方向因素影響：一是天線所發(fā)直射波所能達到的最遠(yuǎn)距離；二是到達該地點的信號強度足以為儀器所捕捉。因此天線所發(fā)直射波所能達到的最遠(yuǎn)距離直接與收發(fā)信號天線的高度有關(guān)。擬架設(shè)的天線為四波段可旋轉(zhuǎn)八木天線，最長振子12m，經(jīng)實地測量，天線旋轉(zhuǎn)部分只需高于西側(cè)內(nèi)房檐便可具有最佳接收效果。

2.3 固定方式可靠

在天線塔安裝與固定方面，底座采用三角鐵加長與兩側(cè)墻體固定，用沖擊鉆加16mm的沖擊鉆頭根據(jù)底座留有位置打出相應(yīng)的孔，放入膨脹螺栓，將底座、主支撐臂放上，且均固定在兩側(cè)墻體，天線塔主體采用4根“拉筋”固定在兩側(cè)墻體，根本不需在樓頂垂直打孔，從而避免了破壞頂層防水。

2.4 避雷防護全面

天線安裝在樓頂平臺上，只需將天線的避雷線與防雷網(wǎng)連接起來即可，同時使用避雷針防雷加以保護，采用天線置于避雷針尖45°夾角保護傘內(nèi)。塔身單獨接地。

2.5 綜合指數(shù)為優(yōu)

在天線架設(shè)論證過程中，中心邀請了黑龍江省無線電愛好者協(xié)會骨干技術(shù)人員、校基建處有關(guān)專家到現(xiàn)場實地勘查，認(rèn)為在頂樓平臺處架設(shè)短波天線塔是可行的，不會破壞建筑物的結(jié)構(gòu)，不危害建筑物(如圖5所示)。建設(shè)經(jīng)費較低，天線塔完全根據(jù)我校自身課程需求進行設(shè)計制作且均為自研，由學(xué)校實資處實驗教學(xué)改革研究立項資助建設(shè)。

圖5 架設(shè)好的天線塔

3 自制天線應(yīng)用范圍廣

按照天線設(shè)計、塔體論證、實體評估、實驗反饋的建設(shè)思路，歷時3個月自研完成了用于滿足業(yè)余無線電通信、無線電測向課程實驗教學(xué)需要的HF多波段八木天線塔，建立了天線塔管理和使用制度以及定期檢查、保養(yǎng)和維護措施，融入自研設(shè)備的優(yōu)勢資源，形成了業(yè)余無線電通信、無線電測向課程的實驗指導(dǎo)書，并完成了自制設(shè)備開發(fā)總結(jié)報告。

“HF多波段八木天線塔”的開發(fā)建設(shè)解決了以往在頂樓架設(shè)簡易水平天線，極易受干擾，通聯(lián)效果較差，難以和國內(nèi)、國外電臺有效通聯(lián)的問題，極大地改善了實驗教學(xué)效果，拓展了實驗及實訓(xùn)內(nèi)容，解決了以往實驗類型單一的問題。如：“HF多波段八木天線塔”的自研建設(shè)用于滿足中心開設(shè)的業(yè)余無線電通信實驗教學(xué)中7MHz，14MHz，21MHz，29MHz通信實訓(xùn)需要；用于滿足無線電測向課程校園無線電測向?qū)嵱?xùn)、“獵狐杯”無線電測向競賽中繼通信保障；用于滿足大學(xué)生科技競賽之國際業(yè)余電臺通信競賽、全國無線電測向競賽以及遠(yuǎn)距離DX越洋通信實踐需要；為國家級示范中心開設(shè)的“漸進式特色實踐類系列課程”涉足的其他領(lǐng)域，如控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、圖像處理及傳輸系統(tǒng)、傳感器及地面站等實驗教學(xué)及實驗研究項目提供支持；滿足我校廣大業(yè)余無線電愛好者交流及學(xué)習(xí)研究使用。

4 自制天線使用效益高

HF多波段八木天線塔的研究與自制，是哈爾濱工程大學(xué)乃至中國人民解放軍軍事工程學(xué)院有史以來首架用于業(yè)余無線電通信使用的天線。我校業(yè)余集體電臺及自研天線塔使用資質(zhì)已通過省無線電管理部門審核?？蓾M足我校業(yè)余無線電通信以及無線電測向課程需要，拓展實訓(xùn)內(nèi)容，強化實訓(xùn)效果，實現(xiàn)高效率遠(yuǎn)距離通信并輔助課程建設(shè)。通過自研實驗設(shè)備提高中心教師科研能力，為拓展實訓(xùn)內(nèi)容，增強實踐教學(xué)水平奠定基礎(chǔ)，發(fā)揮國家級電工電子實驗教學(xué)中心的示范輻射作用。

(1)自2010年上半年HF多波段八木天線塔建設(shè)完成并投入實驗教學(xué)使用，累計400余名學(xué)生選修2門無線電課程，接受相應(yīng)實驗技能訓(xùn)練并從中受益；成功組織第三屆校“獵狐杯”無線電測向競賽，參賽學(xué)生180余人。

(2)中心在天線塔旁教學(xué)樓西側(cè)頂樓建設(shè)了“業(yè)余無線電通信實驗室”，并組建校無線電愛好者協(xié)會，該實驗室采取全開放模式，滿足相應(yīng)課程的實驗教學(xué)以及我校廣大業(yè)余無線電愛好者交流及學(xué)習(xí)研究使用。業(yè)余無線電通信課程建設(shè)已成為我中心實驗教學(xué)改革體系以及大學(xué)生科技創(chuàng)新平臺體系重要組成部分。

(3)通過該自研設(shè)備的開發(fā)建設(shè)，同時促進了我校獲批建設(shè)“業(yè)余衛(wèi)星通信監(jiān)測站”，加入全國業(yè)余衛(wèi)星監(jiān)測站網(wǎng)成員，提高了我校實驗室建設(shè)特色，提升我校的社會聲譽。

(4)HF多波段八木天線塔的建設(shè)完成后《新晚報》《哈爾濱日報》、黑龍江無線電運動網(wǎng)以及學(xué)校各媒體均對此進行了報道。

(5)結(jié)合實驗教學(xué)和管理中的經(jīng)驗體會，“HF多波段八木天線塔”研究自制成員，以第一作者發(fā)表了實驗教學(xué)和相關(guān)管理內(nèi)容的論文6篇，獲獎研究報告1份，獲獎?wù)撐?篇，教材2部，多媒體課件電子出版物2項，實驗大綱2項。

(6)“HF多波段八木天線塔”的建設(shè)，一方面解決了當(dāng)年實驗設(shè)備落后、實驗項目單一的問題，另一方面極大地鍛煉了實驗室人員的技術(shù)水平和創(chuàng)新能力，為實驗教學(xué)人員后續(xù)實驗課程的開展、研究與探索積累了經(jīng)驗。

5 結(jié)束語

HF多波段八木天線塔的研制是一項特色鮮明、效果顯著的實驗教學(xué)改革與實驗技術(shù)研究成果。有效拓展了實驗教學(xué)及大學(xué)生科技創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容,提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力,獲得學(xué)生受益面廣,應(yīng)用性強,社會評價好,節(jié)省經(jīng)費等多重社會效益和經(jīng)濟效益。HF多波段八木天線塔的應(yīng)用,為學(xué)校國家級電工電子實驗教學(xué)中心開設(shè)“漸進式特色實踐類系列課程”涉足的其他領(lǐng)域,如控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、圖像處理及傳輸系統(tǒng)、傳感器及地面站等實驗教學(xué)、實驗研究項目及大學(xué)生科技競賽提供支持,同時還滿足了我校廣大業(yè)余無線電愛好者交流及學(xué)習(xí)研究使用。

[1] 孫巖.基于研究型大學(xué)發(fā)展目標(biāo)下的學(xué)生科技創(chuàng)新實踐平臺建設(shè)[J].實驗室研究與探索，2010，11：116～118

[2] 陳平.中國業(yè)余無線電[M].廣東：海天出版社，2008

[3] 王松武.引導(dǎo)學(xué)生開展課外活動的實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2007，11：20～22

[4] 孫巖.對構(gòu)建電工電子創(chuàng)新實驗教學(xué)平臺的思考[J].黑龍江科技信息，2009，22，11：159

[5] 刁鳴.示范中心創(chuàng)新實驗室的建設(shè)[J].實驗室研究與探索，2007，1：74～76

Research and construction of HF multiband Yagi antenna tower based on developing experimental teaching

Sun Yan1, Li Feng2, Chen Wensheng1
1.Harbin engineering university, Harbin, 150001, China 2.Sports bureau of Heilongjiang Province, Harbin, 150001

For satisfying reformation of center of electrotechnics and electronics experiment teaching, we constructed HF Multiband Yagi antenna tower which could satisfy experiment teaching requirement of amateur radio communication and radio direction fi nding in three months. We formulated effective institution for antenna tower’s management, application, examination regularly, maintain. We combined advantage of self-research equipments’ resource to fi nish experiment guide books and self-research equipments’ developing summary. The university was authorized to establish amateur radio communication monitor station by self-research, and joined the whole country amateur radio communication monitor station net. The antenna tower advanced constructing feature of university’s laboratory, satisfi ed reformation of experiment teaching courses and requirement of innovation development, adapted requirement of students’ technology innovation and practical, improved cultivation of high quality and innovative talents. And it can raise the fame of university.

experiment teaching; HF multiband; Yagi antenna; self-research equipment; research

2011-01-04

孫巖，碩士，講師，專業(yè)實驗室主任。

哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院國家級電工電子教學(xué)中心。

圖1 40m波段八木天線設(shè)計原理圖