林銘團(tuán) 毋召鋒

摘? 要：本文根據(jù)天線理論課程與實(shí)驗(yàn)課程的自身特點(diǎn)，利用MATLAB的儀器控制工具箱，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的微波天線測(cè)量系統(tǒng)，將儀器控制工具箱應(yīng)用到天線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)微波天線測(cè)量系統(tǒng)并完成天線方向圖和駐波等參數(shù)的測(cè)量，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)天線方向圖的理解，培養(yǎng)其自主設(shè)計(jì)、測(cè)試天線的能力，為后續(xù)課程或從事天線技術(shù)領(lǐng)域的工作打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：天線技術(shù)? MATLAB? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)? 天線測(cè)量

中圖分類號(hào)：TN820;G642.0? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）10（b）-0231-03

Abstract： According to the characteristics of antenna theory and experiment course， a simple microwave antenna measurement system is designed by using the instrument control toolbox of MATLAB. The instrument control toolbox is applied to the antenna experiment teaching. Through guiding students to design microwave antenna measurement system and complete the measurement of antenna pattern and reflection coefficient， students' interest in learning and understanding of radiation pattern can be enhanced and deepened. And their ability to design and test antenna independently is cultivated， which lays a good foundation for subsequent courses or work in antenna technology field.

Key Words： Antenna technology; MATLAB; Experimental teaching; Antenna measurement

《天線與電波傳播》和《高等天線理論》分別作為我校電子信息類本科生和碩士研究生的兩門(mén)專業(yè)必修課程，擔(dān)負(fù)著微波技術(shù)工程師的人才培養(yǎng)任務(wù)。課程主要講述天線與電波傳播的基本概念與基本分析方法、各種類型天線的基本性能、電波傳播的主要傳播方式及相應(yīng)的傳播特點(diǎn)和規(guī)律。相關(guān)先修課程有《電磁場(chǎng)理論》、《微波技術(shù)基礎(chǔ)》，學(xué)生普遍反映這些課程難度大，知識(shí)掌握不牢。而這兩門(mén)天線類的必修課程與上述先修課程有緊密的聯(lián)系，同時(shí)天線技術(shù)本身對(duì)微波技術(shù)理論知識(shí)和工程實(shí)踐技能都有更高的要求，并且在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)于天線方向圖這一重要的抽象概念不能很好地掌握，所以學(xué)生對(duì)這門(mén)課的學(xué)習(xí)熱情不高，有畏難情緒。

為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、加深對(duì)天線理論的理解，當(dāng)前國(guó)內(nèi)高校均開(kāi)設(shè)了許多課內(nèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)[1-3]，主要手段是應(yīng)用商用電磁三維仿真軟件如CST、HFSS、FEKO等對(duì)不同天線進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，通過(guò)在軟件界面中觀察不同天線的增益、方向圖、極化等關(guān)鍵參數(shù)來(lái)加深對(duì)天線這些概念的理解。然而，現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中這種仿真學(xué)習(xí)使學(xué)生對(duì)于天線的理解停留在概念層面，學(xué)生對(duì)天線的方向圖這一關(guān)鍵概念理解不能融會(huì)貫通，缺乏理論聯(lián)系實(shí)際的能力，特別是工程能力得不到實(shí)際的鍛煉。國(guó)內(nèi)高校針對(duì)教學(xué)中存在的這些問(wèn)題已經(jīng)著手進(jìn)行了課程改革和課程設(shè)計(jì)[1-3]。由于一般的天線測(cè)試系統(tǒng)比較復(fù)雜，學(xué)生在有效的課堂時(shí)間里難以掌握。使用MATLAB平臺(tái)[4][5]的儀器控制工具箱，編程簡(jiǎn)單且功能強(qiáng)大，開(kāi)發(fā)周期短，基于此本文提出了一種簡(jiǎn)單的天線測(cè)試系統(tǒng)，可以利用有限的課時(shí)通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生自主搭建測(cè)試環(huán)境和測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)一些典型的天線進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，再與仿真設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，可以有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，同時(shí)鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

1? 天線方向圖自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)

天線方向圖的測(cè)試系統(tǒng)不僅包括軟件部分還包括硬件支持，目前國(guó)內(nèi)高校大多有天線測(cè)量的暗室以及測(cè)試系統(tǒng)，而這些系統(tǒng)大多比較復(fù)雜，在為數(shù)不多的實(shí)驗(yàn)課程課時(shí)要求下，很難讓學(xué)生從頭到尾自己搭建測(cè)試平臺(tái)和對(duì)自己設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行測(cè)量。目前比較成熟的軟件平臺(tái)主要是高級(jí)編程語(yǔ)言和Labview軟件[6][7]，實(shí)驗(yàn)儀器的自動(dòng)化測(cè)量大多使用的是Labview，而這些軟件對(duì)于學(xué)生而言上手比較困難，特別是儀器控制的接口程序比較復(fù)雜。如果以這兩款軟件來(lái)開(kāi)發(fā)天線方向圖測(cè)試系統(tǒng)，則有點(diǎn)舍本求末。Matlab軟件從7.0版本開(kāi)始，就已經(jīng)將儀器控制工具箱集成到了軟件中，特別是對(duì)TCP/IP接口通信協(xié)議的支持，不僅可以對(duì)測(cè)試儀器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取，還可以對(duì)儀器進(jìn)行控制。因此，天線方向圖自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)可以在Matlab開(kāi)發(fā)平臺(tái)中完成。

（1）系統(tǒng)硬件構(gòu)成。

如圖1所示，天線方向圖測(cè)試系統(tǒng)由一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一臺(tái)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和一個(gè)小型轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成。Matlab與各種測(cè)量?jī)x器的通信協(xié)議遵從虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)（VISA），因此計(jì)算機(jī)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀都需要安裝同一個(gè)VISA庫(kù)，就可以通過(guò)Matlab發(fā)送SPCI（Standard Commands for Programmable Instruments）儀器指令實(shí)現(xiàn)對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的控制和數(shù)據(jù)讀取。小型轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)Matlab的串口通信功能實(shí)現(xiàn)程序控制，Matlab通過(guò)USB串口通信發(fā)送轉(zhuǎn)動(dòng)角度信息，使得轉(zhuǎn)臺(tái)按照要求進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

（2）系統(tǒng)軟件構(gòu)成。

系統(tǒng)軟件要完成的工作是天線二維方向圖的測(cè)量，整個(gè)程序流程圖如圖2所示，首先是連接并初始化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試參數(shù)（頻段范圍、采樣點(diǎn)數(shù)），連接轉(zhuǎn)臺(tái)串口，設(shè)置轉(zhuǎn)臺(tái)初始位置和轉(zhuǎn)動(dòng)范圍;然后開(kāi)始測(cè)試，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，讀取一次矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上的測(cè)試數(shù)據(jù)并保存;最后，將測(cè)試的方向圖曲線繪制出來(lái)。

進(jìn)一步，可以利用Matlab的GUI工具箱設(shè)計(jì)一個(gè)圖形用戶界面，方便儀器參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。設(shè)計(jì)的天線方向圖圖形界面如圖3所示，主要包含轉(zhuǎn)臺(tái)USB串口設(shè)置、轉(zhuǎn)臺(tái)位置控制、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示窗口等。

2? 實(shí)施方法

（1）課前根據(jù)教學(xué)課時(shí)安排，通過(guò)問(wèn)卷、座談以及和其他課程老師溝通深入了解學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，如是否具有一定的編程能力，對(duì)于微波技術(shù)理論的掌握程度等，梳理教學(xué)難點(diǎn)，把握教學(xué)進(jìn)度。

（2）介紹幾種天線的輻射理論和設(shè)計(jì)方法，并引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)天線仿真相關(guān)軟件。

（3）制作一款或者幾款典型的天線設(shè)計(jì)教程，讓學(xué)生提前自主學(xué)習(xí)天線設(shè)計(jì)的基本步驟和方法。

（4）對(duì)典型天線進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模、仿真演示，并引導(dǎo)學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)一款天線并完成加工。

（5）對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，引導(dǎo)組內(nèi)學(xué)生自己搭建一套簡(jiǎn)易的天線測(cè)試系統(tǒng)，并提供技術(shù)指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)團(tuán)隊(duì)協(xié)作。

（6）留意教學(xué)過(guò)程中的難點(diǎn)和學(xué)生難懂、易錯(cuò)的知識(shí)點(diǎn)，以便及時(shí)講解。

（7）利用學(xué)生自己搭建的天線測(cè)試系統(tǒng)完成天線的測(cè)試，并撰寫(xiě)課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3? 預(yù)期效果

（1）在學(xué)好天線基本理論的同時(shí)，使學(xué)生從無(wú)線電波這一看不見(jiàn)、摸不著的抽象概念中跳出來(lái)，完成課本理論知識(shí)的學(xué)習(xí)又可以極大的提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，讓學(xué)生能夠利用所學(xué)的理論知識(shí)來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐，解決實(shí)際的工程問(wèn)題;

（2）使學(xué)生不僅懂天線的一般理論，還要懂天線設(shè)計(jì)的一般方法以及測(cè)試方法，從而掌握天線的整個(gè)設(shè)計(jì)流程;

（3）在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)有余力的學(xué)生，并指導(dǎo)他們申請(qǐng)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目等更具挑戰(zhàn)性的課題，從而進(jìn)一步提高和鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造力和學(xué)以致用的能力。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)目前學(xué)生在天線技術(shù)課程中遇到的困難，結(jié)合理論課與實(shí)驗(yàn)課的自身特點(diǎn)，提出了一種簡(jiǎn)易的微波天線測(cè)量系統(tǒng)，將Matlab的儀器控制工具箱應(yīng)用到天線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計(jì)加工天線，團(tuán)隊(duì)協(xié)作搭建測(cè)試平臺(tái)，并用自己搭建的測(cè)試平臺(tái)完成天線方向圖的測(cè)量，有助于學(xué)生對(duì)天線的進(jìn)一步理解，同時(shí)培養(yǎng)其工程實(shí)踐能力和科學(xué)素養(yǎng)。更重要的是，在這個(gè)工程中學(xué)生可以完全參與進(jìn)來(lái)，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的積極性。

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