天線方向圖仿真實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

徐池，郭誼，韓東

天線方向圖仿真實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

徐池，郭誼，韓東

（海軍大連艦艇學(xué)院信息系統(tǒng)系，遼寧 大連 116018）

針對天線方向特性學(xué)習(xí)過程中存在的理論性強(qiáng)、理解抽象、內(nèi)容枯燥等特點(diǎn)，基于Matlab平臺(tái)構(gòu)建天線方向圖仿真實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)。在分析天線方向特性教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路、功能模塊劃分以及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，最后通過對陣列天線方向性影響因素實(shí)例的仿真與分析，驗(yàn)證了該輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)的實(shí)用性。

天線；電波傳播；方向圖；天線方向特性

“天線與電波傳播”課程是電子與信息工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。課程主要介紹天線與電波傳播的基本理論、基礎(chǔ)概念和基本分析方法，重點(diǎn)內(nèi)容包括對典型天線方向特性、阻抗特性、極化特性、頻率特性的學(xué)習(xí)和理解，而天線方向特性又是天線知識(shí)學(xué)習(xí)中的重中之重[1]。天線方向特性具有抽象性強(qiáng)、表達(dá)形式復(fù)雜等特點(diǎn)。依據(jù)“天線與電波傳播”課程天線教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)，設(shè)計(jì)與構(gòu)建天線方向圖仿真實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)，可以靈活實(shí)現(xiàn)典型天線方向圖仿真，輔助課程的課堂教學(xué)，擴(kuò)展天線類課程的實(shí)作形式，有效提高學(xué)生自學(xué)效果。

1 天線方向特性教學(xué)內(nèi)容分析

“天線與電波傳播”課程本身具有理論性強(qiáng)，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高；概率抽象，理解掌握難度大；技術(shù)性強(qiáng)，聯(lián)系實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)高；內(nèi)容復(fù)雜，知識(shí)記憶難度大等特點(diǎn)[2]。

天線方向特性的教學(xué)部分體現(xiàn)得更為明顯，因此在教學(xué)內(nèi)容的選取和教學(xué)過程要做到夯實(shí)基礎(chǔ)、循序漸進(jìn)、突出重點(diǎn)、深入剖析，最終使得理論問題實(shí)際化、抽象問題具體化、復(fù)雜問題簡單化。

1.1 教學(xué)內(nèi)容選取

參照高等學(xué)校信息工程類“十一五”規(guī)劃教材，“天線與電波傳播”課程知識(shí)體系結(jié)構(gòu)包括天線、電波傳播兩個(gè)部分[1]。天線部分主要包括天線基礎(chǔ)知識(shí)、典型天線特性分析及應(yīng)用，如圖1所示。

天線基礎(chǔ)知識(shí)是整個(gè)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，主要介紹了基本振子的輻射模型、天線電參數(shù)、對稱振子、天線陣?yán)碚摷暗孛鎸μ炀€電性能的影響。

學(xué)習(xí)典型天線，主要是運(yùn)用基本分析方法對具體天線的工作原理及主要電參數(shù)進(jìn)行分析。在天線基礎(chǔ)知識(shí)和典型天線性能的教學(xué)過程中，需要重點(diǎn)突出天線方向函數(shù)、二維及三維方向圖、天線陣方向圖與陣元間距和相位差之間的關(guān)系等基礎(chǔ)概念的講授。力求做到重點(diǎn)突出、難點(diǎn)吃透，盡快建立完整的天線理論體系。

圖1 課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 教學(xué)難點(diǎn)分析

由于電磁場自身的非直觀性，與電磁場理論一樣，為了了解天線的輻射場，也需要建立一整套關(guān)于天線方向特性的基礎(chǔ)概念和理論來描述。例如天線的方向函數(shù)、E/H面方向圖、功率方向圖、場強(qiáng)方向圖、零功率點(diǎn)波瓣寬度、半功率點(diǎn)波瓣寬度、主副瓣、背瓣、柵瓣、方向系數(shù)等等[3]。這些概念往往內(nèi)容枯燥、描述抽象，使學(xué)生很難迅速掌握要點(diǎn)。例如，天線的立體方向圖要通過若干平面方向圖來聯(lián)想[4]。另外，各個(gè)基礎(chǔ)概念之間環(huán)環(huán)相扣，一個(gè)理解不透，就會(huì)影響到其他知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)和掌握。因此，如何將抽象概念理論具體化，講好描述天線特性的基礎(chǔ)概念和理論是本課程的首要難題。

2 基于Matlab的天線方向圖仿真實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)構(gòu)建

設(shè)計(jì)構(gòu)建基于Matlab的天線方向圖仿真實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)，為課程的教學(xué)實(shí)施提供靈活多樣的仿真工具，改善教學(xué)效果。同時(shí)，方便學(xué)生利用平臺(tái)工具開展自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)生分析、解決抽象和復(fù)雜問題的能力。以平臺(tái)設(shè)計(jì)、構(gòu)建為牽引，教授學(xué)生利用工具搭建簡單天線方向圖仿真軟件，提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力。

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

天線方向圖仿真實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)基于Matlab平臺(tái)進(jìn)行構(gòu)建，應(yīng)用Matlab強(qiáng)大的繪圖計(jì)算功能以外，也突出對GUI（Graphical User Interfaces）圖形用戶界面功能的應(yīng)用[5]。

系統(tǒng)構(gòu)建的目的是整合典型天線的方向圖，方便用戶使用，由抽象的方向函畫出具體直觀的方向圖，包括靜態(tài)的二維、三維方向圖，還有動(dòng)態(tài)的二維、三維方向圖，加深使用者對各典型天線方向性的理解。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：①界面友好，板塊劃分清晰。清晰的設(shè)計(jì)板塊可以使學(xué)生快捷、準(zhǔn)確地掌握仿真系統(tǒng)的使用方法，輔助系統(tǒng)界面如圖2所示。②天線種類齊全，滿足教學(xué)需求。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，挑選典型天線類型，由簡入難，由線天線到面天線，涵蓋天線基本類型。③繪圖和計(jì)算功能完善。具有二維、三維繪圖功能，能夠計(jì)算反映天線方向特性的重要參數(shù)——方向系數(shù)。④引入動(dòng)態(tài)圖與滑塊。使某一參量的變化對方向性帶來的影響更加清晰明了，便于全方位、多角度地觀察。⑤設(shè)置存儲(chǔ)單元，實(shí)現(xiàn)圖像與數(shù)據(jù)的分析、比較，在軟件中添加存儲(chǔ)圖像與記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)的功能模塊。

圖2 天線方向圖仿真實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)界面

2.2 功能模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.2.1 天線類型選擇模塊及實(shí)現(xiàn)

課程教學(xué)中主要涉及的典型天線包括對稱振子天線、雙極天線、直立天線、行波單導(dǎo)線、菱形天線、矩形同相口徑天線、元均勻直線陣、元側(cè)射陣、元端射陣。

首先新建彈出式菜單（Pop-up Menu）按鈕，在String中輸入具體的天線種類。

其次，在編寫M程序中，在彈出式菜單（Pop-up Menu）請選擇天線類型上，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇下拉菜單中的View Callback-Callback，在functionpopupmenu1-Callback下編寫回調(diào)函數(shù)。由于需要對String中的天線種類選項(xiàng)進(jìn)行選擇，所以使用不同的value值來實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上的選擇，并且將value的值賦給，使用Switch語句實(shí)現(xiàn)值的選擇，當(dāng)取不同值時(shí)，實(shí)現(xiàn)天線類型的選擇。

2.2.2 天線參數(shù)設(shè)置模塊及實(shí)現(xiàn)

由于各個(gè)種類的天線的方向圖受多個(gè)參數(shù)的控制，所以要明確影響各個(gè)天線方向圖的參數(shù)。在編寫程序時(shí)，首先，在每個(gè)可編輯文本（Edit Text）處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇下拉菜單中的View Callback-Callback，在functioneditsita_Callback（以editsita為例）下編寫回調(diào)函數(shù)，在輸入?yún)?shù)時(shí)用get函數(shù)獲取函數(shù)返回值，并將需要將字符串轉(zhuǎn)化為數(shù)字。其次，點(diǎn)擊滑動(dòng)條（Slider）編寫其回調(diào)函數(shù)（Callback）。由于文本框中所顯的數(shù)據(jù)都是以字符串的形式出現(xiàn)。使用str2num與str2double函數(shù)來實(shí)現(xiàn)字符串轉(zhuǎn)化為數(shù)字，將每個(gè)文本框的返回值都以類似的方式處理，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的輸入。最后，以參數(shù)明暗的形式設(shè)置各個(gè)天線的可用參數(shù)。

以平行二元陣為例，示范程序如下：

可編輯文本（Edit Text）的回調(diào)函數(shù)Callback

sz=get(hObject，'string');%string為字符串

h=str2double(sz);%字符串雙精度

滑動(dòng)條（Slider）的回調(diào)函數(shù)Callback

fai0=get(hObject，'Value');

set(handles.editfai0，'String'，num2str(fai0))

handles.fai0=fai0;%更新數(shù)據(jù)

2.2.3 方向圖圖像顯示模塊及實(shí)現(xiàn)

使用Axes建立四個(gè)畫圖模塊，當(dāng)天線類型選擇完畢和參數(shù)輸入完畢之后，按下繪圖按鈕，在圖像顯示區(qū)域（Axes）得到天線的方向圖。

編寫回調(diào)函數(shù)時(shí)，首先編寫觸控按鈕（Push Button）的實(shí)現(xiàn)程序。其次，建立圖像和調(diào)用函數(shù)之間的關(guān)系，采用與天線選擇模塊相類似的設(shè)置Vaule值的方法，結(jié)合Switch-Case選擇語句。選擇不同天線時(shí)，編寫不同的方向函數(shù)。最后，用極坐標(biāo)或者直角坐標(biāo)的方式畫出天線的方向圖，polar函數(shù)實(shí)現(xiàn)了對極坐標(biāo)圖像的仿真，polt實(shí)現(xiàn)對直角坐標(biāo)方向圖的仿真。Axes（handles.axes1）這個(gè)語句規(guī)定了用哪一個(gè)坐標(biāo)軸來顯示這個(gè)圖像。sph2cart函數(shù)是對坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，mesh函數(shù)實(shí)現(xiàn)三維圖繪制，axes（handles.axes2）則規(guī)定在第二個(gè)坐標(biāo)軸上顯示圖像。以行波單導(dǎo)線天線為例，回調(diào)函數(shù)示范程序如下：

function handles=surfplot21(handles)%調(diào)用函數(shù)

l=get(handles.editl，'string');%調(diào)用界面輸入的l的數(shù)值

l=str2double(l);

sita=(pi/180：pi/180：2*pi);%自變量的范圍

r=abs((cos(2.*pi.*l*cos(sita))-cos(2.*pi.*l))./sin(sita+eps));%方向函數(shù)

h1=polar(sita，r/max(r));%畫極坐標(biāo)方向圖

set(h1，'LineWidth'，2);%設(shè)置畫圖圖線的寬度

title('對稱振子E面方向圖'，'FontSize'，16);%設(shè)置標(biāo)題字體大小

2.2.4 圖像動(dòng)畫控制保存模塊及實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)下同一天線的方向性能對比或者不同天線的方向性能對比，可以將圖像保存起來，以供對比。

在界面設(shè)計(jì)中，使用觸控按鈕（Push Button）設(shè)置保存圖像按鈕，通過對其屬性的設(shè)置，改變背景顏色，設(shè)置字體、字號(hào)、String、Tag，設(shè)置其Enable為inactive等。點(diǎn)擊“保存圖片”時(shí)，彈出選擇保存路徑。

在回調(diào)函數(shù)Button DownFcn中，axes（handles.axes1）表征了存儲(chǔ)的圖像，可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)三維圖，E面、H面的圖像到任意文件夾中。movie2avi可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)圖片的存儲(chǔ)。

2.2.5 知識(shí)點(diǎn)簡介界面及實(shí)現(xiàn)

為了方便使用者的使用，對每個(gè)天線有大概的簡介，包括其工作波長、極化特性、使用場合、方向特性等基本信息。首先，新建面板（Panel）命名為知識(shí)一點(diǎn)通，并且填充如圖顏色。其次，用可編輯文本（Edit Text）創(chuàng)建可編輯框并修改屬性，確定可編輯文本框內(nèi)設(shè)字的大小，在String處寫入?yún)?shù)名字。單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇View Callbacks-Button DownFcn，則顯示該按鈕的Button DownFcn回調(diào)函數(shù)，在該函數(shù)體內(nèi)編寫對應(yīng)代碼即可。

3 輔助系統(tǒng)在課程教學(xué)中的應(yīng)用示例

運(yùn)用構(gòu)建的天線方向圖仿真實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)，以陣列天線中的側(cè)射陣為例，可以方便快捷、形象直觀地比較不同陣元個(gè)數(shù)，間距不同時(shí)，元側(cè)射陣天線方向圖的變化。這里取4，仿真分析陣元間隔分別為0.2，0.6，0.9，1.3時(shí)的三維和二維方向圖，其中陣元為1倍波長的對稱陣子天線。間距不同時(shí)，元側(cè)射陣立體圖的比較如圖3所示。

（a）=0.2（b）=0.6

（c）=0.9（d）=1.3

圖3 間距不同時(shí)4元側(cè)射陣立體方向圖

如圖3所示，側(cè)射式天線陣的最大輻射方向在陣軸側(cè)向，（90°和270°）。隨著的增加，在陣軸方向（0°和180°）產(chǎn)生柵瓣，且柵瓣的幅值不斷增加，當(dāng)=0.9時(shí)，柵瓣的幅值與主瓣的幅值相比擬。當(dāng)繼續(xù)增大到1.3時(shí)，可以看到柵瓣數(shù)目和幅值都不斷增加，分散了主瓣的能量，說明此時(shí)天線的方向性變差。綜上，隨著的增大，天線的柵瓣數(shù)目增多，幅值增大，天線的方向性變差。

間距不同時(shí)，元側(cè)射陣陣因子極坐標(biāo)方向圖的比較如圖4所示。

（a）=0.2（b）=0.6

（c）=0.9（d）=1.3

圖4 不同時(shí)元側(cè)射陣陣因子E平面方向圖

如圖4所示，隨著間距的增加，陣因子方向圖的波束寬度逐漸變窄，但是副瓣數(shù)目逐漸增加。當(dāng)=0.9時(shí)，出現(xiàn)幅值較大的旁瓣。隨著的進(jìn)一步增大，柵瓣數(shù)量進(jìn)一步增多。綜上，隨著的增加，主瓣變窄，柵瓣增多，天線的方向性變差。

4 結(jié)束語

天線理論抽象性強(qiáng)，涉及大量復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，學(xué)生在學(xué)習(xí)該專業(yè)知識(shí)時(shí)，普遍感到吃力，不易理解，教師授課時(shí)如果一味追求公式的推導(dǎo)、原理的講述，勢必會(huì)造成課堂的氣氛的枯燥乏味。本文基于Matlab軟件平臺(tái)，設(shè)計(jì)構(gòu)建了天線方向圖仿真實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)，運(yùn)用該仿真系統(tǒng)，可靈活設(shè)置參數(shù)，仿真分析“天線與電波傳播”課程中涉及的典型天線方向圖，使學(xué)生加深對概念、原理的認(rèn)識(shí)，把抽象的原理簡單化，提高學(xué)生分析問題解決問題的能力，取得了較好的講授認(rèn)知效果。

［1］宋錚，張建華，黃治.天線與電波傳播［M］.西安：西安電子科技大學(xué)，2007：8-14.

［2］楊虎，張煒.多媒體教學(xué)在《電波與天線》課程中的應(yīng)用［J］.高等教育研究學(xué)報(bào)，2011，32（4）：65-67.

［3］楊國斌，張?jiān)r(nóng)，蔣春華，等.電波傳播與天線專業(yè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2014，12（5）：74-76.

［4］鄒全.Matlab軟件在“天線與電波傳播”課程中的應(yīng)用［J］.常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，27（3）：85-89.

［5］張志涌，楊祖櫻.Matlab R2012a教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：296-317.

TN820

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.023

2095－6835（2019）19－0058－04

徐池（1984—），男，碩士，講師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)分析與應(yīng)用。

〔編輯：張思楠〕