一种电磁耦合路径可视化实验教学系统及教学方法

技术领域

本发明涉及电磁兼容技术领域，具体涉及一种电磁耦合路径可视化实验教学系统及教学方法。

背景技术

随着现代电子科学技术的发展，电子设备或系统处于的电磁环境日益复杂，设备或系统面临着严峻的电磁干扰问题，电磁兼容相关领域的专业人才亟需培养，电磁兼容相关课程的地位日益显著。电磁兼容相关课程具有理论深和实践性强的特点，需要在教学过程中引入大量的教学实验来丰富教学内容，激发学生对探究电磁兼容问题的兴趣，提升教学质量。

在实际的电磁兼容工程问题中，电磁干扰的耦合路径是复合的，其耦合效应也是复杂的，研究耦合路径是解决电磁兼容性相关问题的一个关键点，以此通过在耦合路径上采取措施来降低耦合效应。但耦合路径“看不见、摸不着”，在实际的课堂教学过程中，学生对耦合路径的理解较为困难，同时也缺乏能够一次性完整展示电磁耦合路径的实验教学系统。

发明内容

本发明的目的在于针对电磁兼容课程中缺乏一次性完整展示电磁耦合路径的实验教学系统的技术难题，提供一种不需要外部干扰源，利用简单实验仪器一次性实现四种耦合路径可视化展示的实验教学系统及教学方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种电磁耦合路径可视化实验教学系统，包括发射模块、耦合路径模块、接收模块。所述发射模块的输出端和耦合路径模块的输入端相连，所述耦合路径模块的输出端和接收模块的输入端相连。

进一步的，所述发射模块包括433MHz的OOK发射机芯片MAX7044、发射端射频开关芯片SKY13317-373LF以及相应外围电路，用于产生干扰源信号。所述的433MHz发射机芯片的输出端和发射端射频开关芯片的输入端相连，所述发射端射频开关芯片的输出端和耦合路径的输入端相连。

进一步的，所述耦合路径模块包括天线-天线耦合路径、天线-微带线耦合路径、微带线-天线耦合路径、微带线-微带线耦合路径四种，用于将干扰源信号通过不同的耦合路径耦合到所述接收模块。所述天线-天线耦合路径通过433MHz的全向天线进行无线通信实现。所述天线-微带线耦合路径通过设计耦合微带线的结构实现。所述微带线-天线耦合路径通过设计辐射微带线的结构实现。所述微带线-微带线耦合路径通过设计平行耦合微带线结构以及设计电源线和数据线的耦合结构两种方式实现。

进一步的，所述接收模块包括433MHz的超外差接收机芯片MAX1473、接收端射频开关芯片SKY13317-373LF以及相应外围电路，用于接收并观测耦合信号，评估耦合信号对接收机的影响程度。所述耦合路径模块的输出端和接收端射频开关芯片的输入端相连，所述433MHz接收机芯片的输入端和接收端射频开关芯片的输出端相连。

进一步的，所述实现天线-微带线耦合路径的耦合微带线是长度约为λ/4，宽度约为0.45mm的开路微带线。

进一步的，所述实现微带线-天线耦合路径的辐射微带线是长度约为λ/4，宽度约为0.35mm的开路微带线。

进一步的，所述实现微带线-微带线耦合路径的平行耦合微带线的间距为0.1mm，长度为96mm。

进一步的，所述实现微带线-微带线耦合路径的电源线和数据线通过走线交错的布线结构实现耦合。

本发明的另一目的在于提供一种电磁耦合路径可视化实验教学系统的实验教学方法，包括以下步骤：

步骤1：将发射端射频开关切换至天线通路并在天线通路的输出端口连接示波器，将直流电源分别于发射模块和接收模块的供电端口相连，将信号发生器的输出端与发射模块的基带信号输入端相连，打开电源，调节信号发生器输出的方波信号的频率和占空比并输出作为原始基带信号输入，观测经发射模块输出的OOK调制信号；

步骤2：保持发射端射频开关的状态不变，将接收端射频开关切换至天线通路并在发射端和接收端天线通路的输出/输入端口连接433MHz全向天线，观测天线-天线耦合路径下的耦合效应并进行分析；

步骤3：保持发射端射频开关的状态不变，将接收端射频开关切换至耦合通路，观测天线-微带线耦合路径下的耦合效应并进行分析；

步骤4：将发射端射频开关切换至辐射通路，将接收端射频开关切换至天线通路，观测微带线-天线耦合路径下的耦合效应并进行分析；

步骤5：将发射端和接收端射频开关均切换到路-路耦合通路，观测微带线-微带线耦合路径下平行微带线的耦合效应并进行分析；

步骤6：将示波器与电源线测试端口相连，观测微带线-微带线耦合路径下电源线和数据线之间的耦合效应并进行分析。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1.本发明中的实验教学系统首次实现了场-场、场-路、路-场、路-路等电磁耦合路径的可视化，弥补了电磁耦合路径可视化实验教学系统的缺失；

2.本发明中的实验教学系统设计为三个模块，每个模块功能清晰，结构简练，不需要外部干扰源，能够利用简单的实验仪器一次性实现四种耦合路径的可视化展示。

3.本发明中通过实验教学系统得到的耦合效应明显、直观，能够使学生在教学过程中能够更好地对电磁兼容“三要素”中耦合通道这一要素理解，加深学生对电磁兼容领域相关问题的理解，激发学生对探究电磁兼容问题的兴趣；

4.本发明中的实验教学系统，配合电磁兼容课程的课堂教学，能够把相关电磁兼容的原理知识直观地展现出来，为研究生和本科生的电磁兼容相关课程的教学工作提供了帮助和参考价值；

5.本发明的实验教学方法步骤少且简洁明了，有助于学生有效地掌握实验内容并结合实验现象进行学习和提升，有利于教学者安排教学内容，高效完成教学目标。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的原理图；

图3为本发明实施例的教学方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，本发明提供了一种电磁耦合路径可视化实验教学系统，包括发射模块、耦合路径模块、接收模块。发射模块的输出端和耦合路径模块的输入端相连，耦合路径模块的输出端和接收模块的输入端相连。

图2展示了实验教学系统的原理图。

发射模块包括433MHz的OOK发射机芯片MAX7044、发射端射频开关芯片SKY13317-373LF以及相应外围电路，用于产生干扰源信号。433MHz发射机芯片的输出端和发射端射频开关芯片的输入端相连，所述发射端射频开关芯片的输出端和耦合路径模块的输入端相连。

耦合路径模块包括天线-天线耦合路径、天线-微带线耦合路径、微带线-天线耦合路径、微带线-微带线耦合路径四种，用于将干扰源信号通过不同的耦合路径耦合到所述接收模块。天线-天线耦合路径通过433MHz的全向天线进行无线通信实现。天线-微带线耦合路径通过设计耦合微带线的结构实现。微带线-天线耦合路径通过设计辐射微带线的结构实现。所设计的辐射通路微带线是长度约为λ/4，宽度约为0.45mm的开路微带线。所设计的耦合通路微带线是长度约为λ/4，宽度约为0.35mm的开路微带线。微带线-微带线耦合路径通过设计平行耦合微带线结构以及设计电源线和数据线的耦合结构两种方式实现，所设计的平行耦合微带线的间距为0.1mm，长度为96mm。所设计的电源线和数据线通过走线交错的布线结构实现耦合。

接收模块包括433MHz的超外差接收机芯片MAX1473、接收端射频开关芯片SKY13317-373LF以及相应外围电路，用于接收并观测耦合信号，评估耦合信号对接收机的影响程度。耦合路径模块的输出端和接收端射频开关芯片的输入端相连，433MHz接收机芯片的输入端和接收端射频开关芯片的输出端相连。

本发明还提供了一种电磁耦合路径可视化实验教学系统的实验方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图3所示，本发明提供的实验教学方法包括以下步骤：

1.将发射端射频开关切换至天线通路并在天线通路的输出端口连接示波器，将直流电源分别于发射模块和接收模块的供电端口相连，将信号发生器的输出端与发射模块的基带信号输入端相连，打开电源，调节信号发生器输出的方波信号的频率和占空比并输出作为原始基带信号输入，观测经发射模块输出的OOK调制信号；

2.保持发射端射频开关的状态不变，将接收端射频开关切换至天线通路并在发射端和接收端天线通路的输出/输入端口连接433MHz全向天线，观测天线-天线耦合路径下的耦合效应并进行分析；

3.保持发射端射频开关的状态不变，将接收端射频开关切换至耦合通路，观测天线-微带线耦合路径下的耦合效应并进行分析；

4.将发射端射频开关切换至辐射通路，将接收端射频开关切换至天线通路，观测微带线-天线耦合路径下的耦合效应并进行分析；

5.将发射端和接收端射频开关均切换到路-路耦合通路，观测微带线-微带线耦合路径下平行微带线的耦合效应并进行分析；

6.将示波器与电源线测试端口相连，观测微带线-微带线耦合路径下电源线和数据线之间的耦合效应并进行分析。

本发明中的实验教学系统首次实现了场-场、场-路、路-场、路-路等电磁耦合路径的可视化，弥补了电磁耦合路径可视化实验教学系统的缺失，每个模块功能清晰，结构简练，不需要外部干扰源，能够利用简单的实验仪器一次性实现四种耦合路径的可视化展示。

本发明中通过实验教学系统得到的耦合效应明显、直观，能够使学生在教学过程中能够更好地对电磁兼容“三要素”中耦合通道这一要素理解，加深学生对电磁兼容领域相关问题的理解，激发学生对探究电磁兼容问题的兴趣；配合电磁兼容课程的课堂教学，本发明中的实验教学系统能够把相关电磁兼容的原理知识直观地展现出来，为研究生和本科生的电磁兼容相关课程的教学工作提供了帮助和参考价值。

本发明的实验教学方法步骤少且简洁明了，有助于学生有效地掌握实验内容并结合实验现象进行学习和提升，有利于教学者安排教学内容，高效完成教学目标。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。