Origin和Excel在天線原理實驗課程數據處理中的應用

劉北佳 邱景輝 林澍 王楠楠

摘要：在天線原理實驗課程上測量并繪制方向圖是電子信息類學生必須掌握的技能。結合Origin 和Excel的方式處理測量數據和高效繪圖的實驗，不但能夠幫助學生理解輻射方向圖這一重要的天線特性參數，而且培養了學生科學規范繪圖、撰寫論文的能力。

關鍵詞：Origin；Excel；天線原理；實驗課程；數據處理

中圖分類號：O6-3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0068-02

1 天線原理實驗現狀分析

天線是無線通信系統必不可少的終端元件，能夠將導波系統中傳播的信號轉變成空間中傳播的或其相反的過程。天線原理是電子信息領域的學生和科研人員所必須掌握的知識。由于天線原理理論課程公式較多、較難被學生充分理解與掌握，且實際工程與科研應用中，計算機仿真工具、天線測量的相關知識與現代儀器設備的操作至關重要，天線原理課程實驗是培養學生運用所學知識解決復雜工程的電磁輻射問題的必經之路。然而，由于天線測試系統造價昂貴，大多數學校采用運用計算機軟件仿真具體天線的形式代替手動操作，初學者往往只知道按部就班的操作，相應的阻抗曲線、方向圖等特性參數就展示在界面上，學生并不知道是如何得來的，不利于學生深刻理解特性參數的物理含義。本校天線原理實驗，利用電磁場與電磁波實驗設備微波分光儀和自制相應頻段的喇叭天線搭建簡易的天線方向圖測試系統，學生通過指導教師講解、親手操作，較深刻的理解了天線方向圖、E面、H面、半功率點波瓣寬度、極化等特性參數的含義，以及最小測試距離、旋轉測試法等天線測量知識。

2 Excel預處理實驗測量數據

2.1 實驗課程存在的問題

天線的輻射方向圖是指離天線一定距離處輻射場的場強（功率等）隨方向變化的圖形。實際上，天線的方向圖是一個三維空間的立體圖形，但工程上為了測量方便，通常用過最大輻射方向上的兩個相互垂直的兩個主平面（E面和H面）內的方向圖來描述具體天線的方向圖特性。天線的方向圖在極坐標或直角坐標系中表示，且表征輻射能力強弱的值經對歸一化處理并對數形式來繪制。傳統實驗課堂中，學生在方向圖測試的過程中，記錄大量數據，并將其計算處理畫在坐標紙上。記錄并繪制的過程占用了大量的課堂時間，極坐標方向圖很難規范畫出。

2.2 Excel預處理測量值

采用旋轉天線法測量接收天線的方向圖，天線每旋轉1度，打開excel記錄相應接收端顯示裝置上的原始測量數據。要獲得科技論文中相應的天線方向圖表達方式，需對數據進行對數化、歸一化處理。值得注意的是這兩步處理的先后與具體操作的含義。由于接收端檢波器是平方率檢波，與場強的平方成正比，測量的結果進行歸一化處理，再進行對數化處理。若先對數化處理時應進行10*LOG10（）函數操作，接下來對對數化處理后的數據進行歸一化處理，需要MAX（）函數操作求一列的最大值，然后逐一減去這個最大值，最終獲得繪制方向圖所需的數據。如圖1所示，兩種處理方式得到的用于繪制方向圖的數據是一致的，最大值均為0。

3 Origin繪制天線方向圖

Origin作為圖形可視化和數據分析軟件，是工程師和科研人員常用的制圖與數據分析工具，具有強大的圖形繪制功能且操作簡單。打開Origin窗口，將繪制方向圖的角度數據和經處理的數據復制粘貼到Book1中不同的列，選中兩列，點擊菜單欄“Plot”下拉列表中“Plot（theta（x），r（y））”進行極坐標系方向圖繪制。由于默認設置的原因，直接呈現的并非標準的方向圖。需要修改默認設置，將“Radius”選中“Use Y-Axis”，“Set Angular Range”設置為順時針狀態。雙擊刻度設置“Y-Axis”“scale from to increment”范圍以及文本的字號。接下來，雙擊曲線可修改“Line”的“width”和“style”等。雙擊“Legend”可修改圖例，在空白處右鍵可插入文本等。最后，通過菜單欄“Edit”下拉菜單中的“copy page”操作可將繪制好的方向復制粘貼word里。此外，在word如需修改繪圖，可雙擊圖形直接進入Origin中進行操作。使用Origin繪制方向圖的數據和圖形界面如圖2所示。

4 結語

結合Excel記錄并處理數據和Origin繪制天線輻射方向圖不但高效、美觀，更加鍛煉了科技繪圖的本領，對學生撰寫科研報告、發表科技論文和畢業論文奠定了堅實的基礎，經過幾輪的實踐教學，幾乎所有學生都表示此種輔助實驗課程的方式對其大有裨益，值得繼續應用并推廣。

參考文獻

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