基于拓展实验教学内涵的HF多波段八木天线塔自研建设

孙 岩 李 峰 陈文胜

1.哈尔滨工程大学 黑龙江哈尔滨 150001 2.黑龙江省体育局 黑龙江哈尔滨 150001

基于拓展实验教学内涵的HF多波段八木天线塔自研建设

孙 岩1李 峰2陈文胜1

1.哈尔滨工程大学 黑龙江哈尔滨 150001 2.黑龙江省体育局 黑龙江哈尔滨 150001

我校电工电子实验教学中心为适应课程改革需要，历时3个月自研完成用于满足业余无线电通信、无线电测向课程实验教学需要的HF多波段八木天线塔，建立天线塔管理和使用制度及定期检查、保养和维护措施，融入自研设备优势资源，形成实验指导书、自制设备开发总结报告。通过自研设备建设，促进学校获批建设“业余卫星通信监测站”，成为全国业余卫星监测站网成员，提高了学校实验室建设特色，适应实验教学课程改革、创新发展要求，广泛满足大学生科技创新、实践的多种需求，促进高素质创新型人才培养，提升了学校的社会声誉。

实验教学；HF多波段；八木天线；自建设备；研究

我校国家级电工电子实验教学中心为适应课程改革需要，开设了以“创新实践”为核心的“渐进式”系列特色课程，自2008年开课以来，选课场面逐年火爆，开创了新生1500人选课的历史新高，受到校领导、校教学部门的广泛关注。其中业余无线电通信课程是学生普遍选修较多的一门实践课程，2010年有260余人报名选修了该课程，课程以业余电台的原理讲授、模块搭建、套件调试、上机通联为主要教学形式。然而，以往只是在顶楼架设一个极为简易的水平天线，配合短波电台使用仅能满足最基本的通联，且极易受干扰，通联效果较差，难以和国内、国外电台有效通联，为满足现已开设的业余无线电通信等课程需要，我们根据实际需求开展了与业余电台通信相适应的HF多波段八木天线塔的自制建设研究，同时为本校业余无线电爱好者提供一个交流学习的平台。

1 HF多波段八木天线的设计与自制

八木天线是一种引向天线，由一个有源振子和多个无源振子放置在同一平面上，并且垂直于连接它们中心的金属杆。一般一个无源振子为反射器，其余的无源振子为引向器。因为金属杆通过振子上的电压波节点，并垂直于天线，所以，金属杆对天线的近场影响很小。而有源振子必须与金属杆绝缘。

八木天线的单元越多，方向性越强。但是单元的增加不与方向性成正比。单元过多时，导致工作频带变窄，整个天线尺寸也将偏大。在短波波段，波长较长，因此八木天线的设计与自制比较困难。

1.1 40m波段八木天线设计

此波段为我校实践课程教学前期的入门波段之一，该波段也是最“拥挤”最热闹的波段。操作范围比较窄，几乎全年全天可以进行通联(QSO)。由于业余电台实验室全天开放，在白天，可以进行几百公里的通联活动，在傍晚可以进行远距离通讯。在业余业务使用要求范围内，国内HAM在7.050～7.070MHz之间用LSB进行通联。其设计原理如图1所示。

1.2 20m波段八木天线设计

20m波段(14.00～14.350MHz),这个频段是著名的DX(远距离通讯)频段,原因是这个频段主要是靠电离层F层进行全球通讯。传播比较稳定,太阳的活动和季节的变化对传播影响比较小，电离层开通的时间比较长。在冬季传播稍差,春秋两季开始开通全球传播,在夏季，即使在白天也有DX通讯的可能。在这个频段DX通讯的人多,是狩猎珍稀电台最佳频段,这个频段是组织学生开展课外业余电台通信竞赛的常用频段。这个频段的天线可以做得比较小巧，采用八木定向天线，天线的增益也比较高。其设计原理如图2所示。

图2 20m波段八木天线设计原理图

1.3 15m波段八木天线设计

15m波段(21.00～21.450MHz),另外一个实践课程教学前期的入门频段，是一个比较好的DX频段。主要是靠电离层F层反射，太阳活动、昼夜和四季等的变化对这个频段的影响较大，当太阳活动比较活跃时，是DX联络的主要波段，太阳活动低潮期，远距离通讯比较困难。在春秋两季，早上可以进行与美洲通讯，下午可以与大洋洲和东南亚通讯，傍晚则开通欧洲和非洲。背景杂音比较小，加上天线尺寸比较小，用小功率就可以进行DX通讯。其设计原理如图3所示。

图3 15m波段八木天线设计原理图

1.4 10m波段八木天线设计

10m波段(28.00～29.70MHz)是短波段的最高频段,也是短波段中频带最宽的频段,传播特性介于HF和VHF之间,主要特点是受太阳活动的影响大,有突发E层传播现象，一旦开通传播电离层衰减小，频率杂音较小，天线增益容易做高。在电离层没有反射时，只能作视距传播。当传播开通时，却可以用很小的功率进行出乎意料的远距离通讯。其设计原理如图4所示。

图4 10m波段八木天线设计原理图

1.5 天线总体设计与塔体设计

10m，15m，20m和40m四波段，12单元八木天线，4副八木天线整合为一根主梁，主梁为铝合金方管25mm×25mm，振子采用Φ13和Φ10铝管，四波段八木天线展开面积是8m×12m。

天线架设铁塔高12m，主体材料为国标4×6角铁焊接，重约300千克。

2 天线架设与塔体固定可行性论证

2.1 架设地点安全

安装平台长12m，宽8m，完全可以满足四波段八木天线的架设；天线架设所选地点附近空中无电线、高压线；顶楼平台现已封闭，无人员接近；将天线塔架设于平台上不影响周围楼梯整体美观。

2.2 高度设置最优

天线高度直接与信号的覆盖范围有关。一般来说，信号覆盖范围受两方向因素影响：一是天线所发直射波所能达到的最远距离；二是到达该地点的信号强度足以为仪器所捕捉。因此天线所发直射波所能达到的最远距离直接与收发信号天线的高度有关。拟架设的天线为四波段可旋转八木天线，最长振子12m，经实地测量，天线旋转部分只需高于西侧内房檐便可具有最佳接收效果。

2.3 固定方式可靠

在天线塔安装与固定方面，底座采用三角铁加长与两侧墙体固定，用冲击钻加16mm的冲击钻头根据底座留有位置打出相应的孔，放入膨胀螺栓，将底座、主支撑臂放上，且均固定在两侧墙体，天线塔主体采用4根“拉筋”固定在两侧墙体，根本不需在楼顶垂直打孔，从而避免了破坏顶层防水。

2.4 避雷防护全面

天线安装在楼顶平台上，只需将天线的避雷线与防雷网连接起来即可，同时使用避雷针防雷加以保护，采用天线置于避雷针尖45°夹角保护伞内。塔身单独接地。

2.5 综合指数为优

在天线架设论证过程中，中心邀请了黑龙江省无线电爱好者协会骨干技术人员、校基建处有关专家到现场实地勘查，认为在顶楼平台处架设短波天线塔是可行的，不会破坏建筑物的结构，不危害建筑物(如图5所示)。建设经费较低，天线塔完全根据我校自身课程需求进行设计制作且均为自研，由学校实资处实验教学改革研究立项资助建设。

图5 架设好的天线塔

3 自制天线应用范围广

按照天线设计、塔体论证、实体评估、实验反馈的建设思路，历时3个月自研完成了用于满足业余无线电通信、无线电测向课程实验教学需要的HF多波段八木天线塔，建立了天线塔管理和使用制度以及定期检查、保养和维护措施，融入自研设备的优势资源，形成了业余无线电通信、无线电测向课程的实验指导书，并完成了自制设备开发总结报告。

“HF多波段八木天线塔”的开发建设解决了以往在顶楼架设简易水平天线，极易受干扰，通联效果较差，难以和国内、国外电台有效通联的问题，极大地改善了实验教学效果，拓展了实验及实训内容，解决了以往实验类型单一的问题。如：“HF多波段八木天线塔”的自研建设用于满足中心开设的业余无线电通信实验教学中7MHz，14MHz，21MHz，29MHz通信实训需要；用于满足无线电测向课程校园无线电测向实训、“猎狐杯”无线电测向竞赛中继通信保障；用于满足大学生科技竞赛之国际业余电台通信竞赛、全国无线电测向竞赛以及远距离DX越洋通信实践需要；为国家级示范中心开设的“渐进式特色实践类系列课程”涉足的其他领域，如控制系统、通信系统、图像处理及传输系统、传感器及地面站等实验教学及实验研究项目提供支持；满足我校广大业余无线电爱好者交流及学习研究使用。

4 自制天线使用效益高

HF多波段八木天线塔的研究与自制，是哈尔滨工程大学乃至中国人民解放军军事工程学院有史以来首架用于业余无线电通信使用的天线。我校业余集体电台及自研天线塔使用资质已通过省无线电管理部门审核。可满足我校业余无线电通信以及无线电测向课程需要，拓展实训内容，强化实训效果，实现高效率远距离通信并辅助课程建设。通过自研实验设备提高中心教师科研能力，为拓展实训内容，增强实践教学水平奠定基础，发挥国家级电工电子实验教学中心的示范辐射作用。

(1)自2010年上半年HF多波段八木天线塔建设完成并投入实验教学使用，累计400余名学生选修2门无线电课程，接受相应实验技能训练并从中受益；成功组织第三届校“猎狐杯”无线电测向竞赛，参赛学生180余人。

(2)中心在天线塔旁教学楼西侧顶楼建设了“业余无线电通信实验室”，并组建校无线电爱好者协会，该实验室采取全开放模式，满足相应课程的实验教学以及我校广大业余无线电爱好者交流及学习研究使用。业余无线电通信课程建设已成为我中心实验教学改革体系以及大学生科技创新平台体系重要组成部分。

(3)通过该自研设备的开发建设，同时促进了我校获批建设“业余卫星通信监测站”，加入全国业余卫星监测站网成员，提高了我校实验室建设特色，提升我校的社会声誉。

(4)HF多波段八木天线塔的建设完成后《新晚报》《哈尔滨日报》、黑龙江无线电运动网以及学校各媒体均对此进行了报道。

(5)结合实验教学和管理中的经验体会，“HF多波段八木天线塔”研究自制成员，以第一作者发表了实验教学和相关管理内容的论文6篇，获奖研究报告1份，获奖论文1篇，教材2部，多媒体课件电子出版物2项，实验大纲2项。

(6)“HF多波段八木天线塔”的建设，一方面解决了当年实验设备落后、实验项目单一的问题，另一方面极大地锻炼了实验室人员的技术水平和创新能力，为实验教学人员后续实验课程的开展、研究与探索积累了经验。

5 结束语

HF多波段八木天线塔的研制是一项特色鲜明、效果显著的实验教学改革与实验技术研究成果。有效拓展了实验教学及大学生科技创新教学内容,提高了学生的创新能力和实践能力,获得学生受益面广,应用性强,社会评价好,节省经费等多重社会效益和经济效益。HF多波段八木天线塔的应用,为学校国家级电工电子实验教学中心开设“渐进式特色实践类系列课程”涉足的其他领域,如控制系统、通信系统、图像处理及传输系统、传感器及地面站等实验教学、实验研究项目及大学生科技竞赛提供支持,同时还满足了我校广大业余无线电爱好者交流及学习研究使用。

[1] 孙岩.基于研究型大学发展目标下的学生科技创新实践平台建设[J].实验室研究与探索，2010，11：116～118

[2] 陈平.中国业余无线电[M].广东：海天出版社，2008

[3] 王松武.引导学生开展课外活动的实践[J].实验技术与管理，2007，11：20～22

[4] 孙岩.对构建电工电子创新实验教学平台的思考[J].黑龙江科技信息，2009，22，11：159

[5] 刁鸣.示范中心创新实验室的建设[J].实验室研究与探索，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

孙岩，硕士，讲师，专业实验室主任。

哈尔滨工程大学信息与通信工程学院国家级电工电子教学中心。

图1 40m波段八木天线设计原理图