天线实验教学仿真系统的研究.doc

天线实验教学仿真系统的研究

【摘要】采用Visual Basic软件开发工具设计并实现了天线实验教学仿真系统。首先给出了系统的构成，讨论了天线模型的建立、天线方向性图和天线输入阻抗的测量，最后介绍了系统的软件实现过程。所设计的天线实验教学仿真系统实现了天线的方向性图和输入阻抗的测量过程，应用表明天线实验教学仿真系统具有交互性好、实用和逼真等特点。
【关键词】天线实验教学，方向性图测量，输入阻抗测量，仿真
Research on the simulation system for antenna experiment teaching
A simulation system for antenna experiment teaching is achieved by Visual Basic software tools. The configuration of the system and the antenna modeling are given. Then the measurements for antenna pattern and antenna input impedance are discussed. Finally, the software implementation of the system is introduced. The system has achieved the simulation measurement of antenna pattern and antenna input impedance. The application in antenna experiment teaching shows the system has a good interactivity, verisimilitude, and practicability.
1 引 言
近年来的大学扩招，使全国大多数高等学校都面临硬件设施不足、实验仪器缺乏的问题，导致实验课无法开设，直接影响了课程教学的质量。天线是电子类专业的一门重要专业基础课，然而天线课程实验所用到的仪器价格昂贵，绝大多数高校缺乏足够的资金购置天线实验教学仪器，另外天线实验容易受到环境的影响，要获得准确的测量结果还需要专门的测量场地，所以开设天线实验课程是非常困难的。
为了提高天线教学的质量，克服实验室条件不足的难题，文献[1]提出利用计算机辅助教学的方法，对天线实验所用到的仪器设备以及测量过程进行模拟。然而，文献[1]所完成软件中的天线测试仪器以及器件均是自己画的简单图形，大部分测试数据是通过插值方法得到，也没有考虑测试环境，天线测量的逼真较差。文献[2]将电磁仿真软件和虚拟现实技术结合在一起，实现了一个桌面式天线虚拟实验系统，但是在测试仪器、测试环境以及测试操作方面的仿真上与实际的天线测量脱节较大。
我们以真实地反映实际的天线测量为理念，在完成虚拟微波技术实验系统的基础上[3]，开发研制了天线实验教学仿真系统，并将其应用到了天线实验教学中，取得了良好的实验教学效果。
2 天线实验教学仿真系统的构成
系统包括学生机天线实验教学仿真子系统和教师机天线实验教学仿真子系统两个部分，如图1所示。
天线实验教学仿真系统
学生机子系统
教师机子系统
方向性图测量
输入阻抗测量
测量操作过程
数据采集处理显示
评分及提交成绩
帮助文件
测量操作过程
数据采集处理显示
评分及提交成绩
帮助文件
实验成绩接收
实验成绩管理（查询、修改、打印）
图1 天线实验教学仿真系统的构成
学生机仿真子系统是天线实验教学仿真系统的主体，又包含了天线方向性图测量和输入阻抗测量两个单元。天线方向性图测量单元由方向性图测量、数据处理、帮助文件和评分四个模块组成。
教师机仿真子系统通过实验室局域网接收、存储学生提交的实验成绩和个人信息，可以进行学生实验信息的查询、修改和打印等工作。
3天线建模与天线测量方法
3.1 天线建模
系统设计了螺旋天线、喇叭天线、八木天线三种天线的测量仿真系统。天线参数测量的仿真是依据天线的数学模型来实现的，我们以H面扇形喇叭天线为例，简单介绍一下天线模型的建立。
首先，H面扇形喇叭天线是由矩形波导在H面（由电磁场传播方向和磁场方向决定的平面）逐渐扩展形成的，为了抑制高次模，喇叭天线的馈电波导的尺寸必须满足单模传输的条件，即波导宽边在半个波长至一个波长之内[4]，窄边在半个波长以内；其次，对每一种喇叭长度来说，都有一个使增益获得最大值的最佳口径长度，此最佳口径长度有成熟的理论计算公式，可以根据需要选择喇叭长度，然后确定口经长度的最佳值。据此便可以设计出一个简单的H面扇形喇叭天线。
H面扇形喇叭有较成熟的辐射场强计算公式，其S11参数和输入阻抗也可以通过理论计算获得，但是为了模拟出实际的喇叭天线测量数据，我们采用Ansoft公司的HFSS三维电磁仿真软件仿真得到S11参数和输入阻抗的曲线，取出离散值用于以后的仿真系统的编程。
3.2天线方向性图测量
天线参数的测试和鉴定是在天线测试场中进行的。理想的测试场应具有自由空间的性质，照射待测天线的应是平面电磁波，但在现实中是不可实现的，因此需要采用近似理想的测试场[5,6]。本文所设计的天线实验仿真系统选择了高架天线测试场来实现天线参数的测试，把待测天线和辅助天线架在两座高度相当的楼顶上，且天线放在楼顶中央（这样可削弱地面反射的影响），采取旋转天线法（待测天线饶自己的轴转动，辅助天线固定不动），利用场强仪测量各个方向的场强，以此绘制天线的方向性图，这与我们实际中的天线测试是一致的。
3.3天线输入阻抗测量
天线阻抗测量的方法有很多种，基本上可以划分谐振法、电桥法、测量线法、图示仪法、扫频法等[5]。仿照实际中我们对天线输入阻抗进行测量的方法，所设计的天线实验仿真系统采用图示仪法进行测量，这种方法操作简单，测试迅速。测量仪器选择安立公司的便携式天馈线测试仪S332D，该仪器具有单端口矢量网络分析仪的功能，通过串行接口与电脑连接后，可以在电脑上显示出测量的S11曲线和史密斯阻抗圆图，并能在圆图中显示输入阻抗随频率变化的曲线。
4 天线实验教学仿真系统的软件实现
本文所设计的天线实验仿真系统采用Visual Basic开发工具制作。Visual Basic语言简单易用，编程系统运用面向对象的编程机制，为用户提供了一个可视界面，而且Visual Basic具有强大的数据库功能和网络功能[7]，下面从界面设计、仪器仿真设计、数据处理、评分功能设计和学生机与教师机通信设计简单介绍本系统的实现过程.
4.1界面设计
图2 天线方向性图测量实验平台
直观形象的界面能激发学生动手操作的兴趣，因此界面设计是天线实验教学仿真系统设计的重点任务，软件主要包括五个界面——开始界面、方向图测量实验界面以及数据处理界面、回波损耗和阻抗测量实验界面以及数据处理界面。为使学生对实验过程有形象直观的认识,界面设计尽可能把实验环境和仪器真实再现。
开始界面主要用于学生选择实验,选择好实验后填写自己的学号、班级、姓名以供提交成绩时使用。
天线方向性图测量界面仿真实现了了两个可以切换的实验环境——天线测试场远视图和天线方向性图测量实验平台。在远视图中能够看到天线测试场全貌，而在测量实验平台环境下可以进行实验仪器的具体操作，并记录数据。图2给出了仿真系统中两个实验环境合并在一起的图片。

图3 天线输入阻抗测量实验平台
天线输入阻抗的测量界面仿真了便携式天馈线测试仪S332D与笔记本电脑。仿真系统中的天线输入阻抗测试的实验平台如图3所示。对电脑、天线和天馈线测试仪S332D的具体操作均通过软件编程来实现。
4.2仪器仿真的实现
仿真系统中的实验设备包括微波信号源、功率计、天馈线分析仪、天线、同轴线、电脑等。为逼真的仿真这些设备，实验设备均采用数码相机拍照，并用Photoshop软件做相应的处理。仪器的按钮、旋钮以及显示面板均做成图片控件，控件之间既相互独立又相互联系，通过在图片控件的点击事件和鼠标拖动事件里编程实现仪器的操作，使实验仪器的操作非常逼真，极大地提高了学生做实验的兴趣。
4.3评分功能设计
使用本文所设计的天线实验教学仿真系统进行天线测量实验时，学生需要进行设备连接和仪器操作等工作，还需记录天线距离、输入功率、角度、场强、S11值和输入阻抗等几十组数据，并根据这些测量数据计算天线增益、主瓣张角，绘出天线归一化方向性图和输入阻抗曲线。
为了评价学生完成天线实验的情况，本文设计了评分模块。评分设计采用扣分制，若学生实验过程中有错误，则相关分数被扣除。错误包括实验操作错误、数据读取错误以及数据处理错误，所扣分数视错误程度而定，对于有损仪器的错误操作则扣分会多些。学生在做完实验后可查看自己的实验成绩。如果学生不满意自己的成绩，学生可点击“重做实验”重新开始实验，直到改正错误操作得到满意的分数。
4.4 学生机与教师机的数据通信
实验结束后学生需要向老师提交实验成绩，这就需要教师机与学生机之间在局域网内能够互相通信。在VB编程中利用WINSOCK控件实现网络中应用程序点对点的通信[8]，教师机主要作为服务器，接收学生提交的成绩以及个人信息，由于网络中涉及到教师机与多个用户连接，在教师机服务器编程中需加载一个WINSOCK控件数组，每一个WINSOCK控件分别对学生机开设一个端口，端口号各不相同，这样可使教师机与学生机通信流畅。
5 应用天线实验教学仿真系统进行实验的举例
为说明本文设计的天线实验教学仿真系统的应用效果，现以一个中心频率为1GHz的轴向模螺旋天线为例，简述利用天线实验仿真系统测量螺旋天线轴向模方向性图的实验过程。
（1）运行天线实验教学仿真软件，选择“天线方向性图测量”实验，在弹出对话框中填写自己的学号班级、姓名等信息；
（2）进入远视图界面，在此界面可摆放、连接实验仪器。
（3）点击“进入楼顶俯视图”进入楼顶界面，在此界面进行仪器操作，按以下实验步骤进行操作：
a 首先摆放实验仪器，架设螺旋天线（选择工作频率1GHz的模型），并选择抛物面型标准天线；
b 连接实验仪器，将信号源频率调到1GHz，并用功率计测信号源输出功率，并将功率值记录到文本框中；
c 给螺旋天线馈电，打开天馈线分析仪S332D，测量模式选择频谱分析，并设定中心频率等参量，开始测量场强；
d 旋转天线转台，记录不同角度的场强值（主瓣尽量多取些点，注意找准主瓣张角）。
（4）根据记录的数据，绘出直角坐标系和极坐标系的天线方向性图，如图4所示。根据输入功率和最大场强计算出天线的增益系数G。
（5）点击“评分”查看实验成绩。
（6）提交成绩，将自己的姓名、学号、成绩传给教师机。
图4 轴向模螺旋天线在直角坐标系和极坐标系的方向性图
7 结束语
本文提出了基于Visual Basic软件开发的天线实验教学仿真系统，实现了天线的方向性图和输入阻抗测量实验的仿真。该系统已经应用于大连海事大学天线课程的实验教学中，并取得了良好的教学效果。该系统最大的特点是逼真，完全模拟了实际的天线测量过程，而且交互性强。该系统的实现大大降低了天线课程实验教学仪器的投入，为高校的天线课程实验教学开辟了一个新的途径。
参考文献（Reference）:
[1] 任玲玲，宋宜纯．交互式虚拟天线实验课件的研究[J]．北京广播学院学报，2000，30(2):20-26．
[2] 张志刚，谢慧，屈晓旭．桌面式天线虚拟实验系统．微计算机信息，2007,23(2):264-265．
[3] 李晓明，房少军，金红．基于VB的虚拟微波实验系统的实现．实验室研究与探索，2007,26(3):49-51．
[4] 卢万铮 ．天线理论与技术．西安：西安电子科技大学出版社，2004．
[5] 毛乃宏，俱新德．天线测量手册．北京：国防工业出版社，1987．
[6] 林昌禄．天线测量．成都：成都电讯工程，1988．
[7] 伍俊良． Visual Basic课程设计与系统开发案例．北京：清华大学出版社，2002．
[8] 崔颜锋，许小荣．ＶＢ网络与远程控制．北京：北京希望电子出版社，2002．