微波傳輸線3D虛擬實驗系統設計與實現

李曉峰 薛小榮 廖欣

（1.桂林電子科技大學信息與通信學院 廣西壯族自治區桂林市 541004）

（2.桂林電子科技大學藝術與設計學院 廣西壯族自治區桂林市 541004）

“微波傳輸線”是微波技術的基本概念和基礎理論，“微波測量線實驗”是微波技術課程中極為重要的內容環節[1]。為了使實驗原理清晰、便于觀察，傳統的測量線實驗通常采用波導結構傳輸線進行試驗，需要配套的系列微波波導器件，同時還需要微波信號源、矢量網絡分析儀、頻率計、檢波器、電流計等儀器儀表，昂貴的實驗設備及其維護成本是微波實驗教學的痛點問題[2]；另外，微波傳輸的物理概念比較抽象，觀測現象不直觀一直是實驗教學的難點問題。虛擬實驗不僅可以極大降低設備成本，而且還可以通過動畫演示、仿真模擬等多媒體手段展示電磁波的分布及運動狀態，體現直觀生動的優勢[3-4]。

MATLAB 是基于矩陣的開發軟件，其用戶界面接近Windows的標準界面，具有面向對象編程特點，能夠提供良好的開發接口和編程環境。同時，包含豐富的內部函數和工具包，具有較強的數據處理和圖形處理能力，非常適合于虛擬仿真實驗的函數編輯和數據處理。為了使實驗內容形象直觀、實驗現象簡潔明了，實驗過程交互便捷，本文實現的 “微波傳輸線”虛擬實驗系統，以MATLAB為開發平臺，以3ds Max 為建模工具，其他輔助工具有Adobe Photoshop、Premiere 等，能夠打包生成Windows 環境下的可執行文件在PC 上運行。學生能利用該系統對微波傳輸過程的工作狀態進行實驗搭建、現象觀測、數據測量，并結合匹配器件與Smith 圓圖進行電路調整與匹配的相關系列實驗，有效加強學生對理論知識的理解和應用。該系統也可用于課堂教學演示，使抽象理論直觀化，便于理論教學與實踐環節的結合[5-7]。

1 虛擬實驗系統的功能與結構

1.1 系統結構設計

微波傳輸線虛擬實驗系統的基本構架如圖1 所示。考慮到微波實驗涉及的內容較為抽象，測量儀器操作復雜，實驗系統設置了“學習資料”和“儀器介紹”模塊，“學習資料”模塊提供與本實驗內容相關的實驗講義、指導書、課件，介紹實驗原理、方法，以及主要的理論知識點，也包括本系統的指南教程和一些實驗模型的視頻教程、仿真演示等，用戶通過瀏覽，可快速了解系統的結構、功能和使用方法，熟悉實驗要求、選擇實驗任務。該模塊還設置幫助功能，主要體現在兩個方面：其一，指南教程，是一個包含字幕和解說的視頻文件，利用文字、語音、軟件截圖等多媒體信息符號進行合成，其作用是引導和幫助學生快速了解系統的功能和使用方法；其二，實驗操作幫助，通過語音和文字提示對實驗流程加以控制，對不規范操作進行警告干預。

圖1：虛擬實驗系統結構框架圖

“儀器介紹”模塊主要幫助使用者了解和熟悉常見微波儀器，提供儀器的3D模型, 利用動畫演示或虛擬操作設置介紹儀器原理、特點、功能與使用方法等，用戶不僅可以通過閱讀有關儀器的文字介紹了解儀器,也可以移動、縮放和旋轉儀器的三維模型,對儀器及按鍵進行觀察和操控設置。另外，在儀器設備調用中,通過提示標簽對儀器的結構、按鍵名稱、功能、操作設置等進行說明，即當鼠器移動到按鍵或接口部位時，會出現一個文本框對該部件進行功能介紹。

“操作平臺”是系統的核心模塊，主要實現虛擬實驗的操作過程及數據處理等功能。實驗操作平臺配備有儀器庫和元件器材庫，實驗器件分類存放在器件庫供用戶選擇，所有儀器和器材都提供3d 仿真模型，允許用戶進行設置與操作。模型結構、界面布局、操作模式等盡可能與實物保持一致， 以增強真實感[6-8]。各儀器與元器件均定義相應輸入函數、輸出函數、傳輸函數以及相互間的接口協議(含參數設置)。儀器庫中有常用微波測量儀器,包括信號源、頻譜儀、矢量網絡分析儀、功率計、頻率計、檢波器、電流計等；器件庫里的器件，部分采用標準件，如波導線、各類負載、可調短路器、校準件、匹配件、隔離器、耦合器、轉接器等，還有一些是教師科研和教學中自行設計和制作的實物模型，比如常規天線、常用的雙端口器件、三端口器件和四端口器件等。

1.2 實驗內容及過程設計

依據教學要求，本系統設計了以微波測量線為基礎的系列實驗，分為常規實驗和自主實驗兩部分。常規實驗主要包括駐波觀測、駐波參數（反射系數、駐波比、阻抗等）測量、波長測量、功率測量、相移測量等內容；自主實驗則允許學生自定義負載、自定義填充介質、自定義傳輸線特性、自定義電路結構，利用實驗平臺進行調試，完成匹配電路設計、電波參數測量、介質特性測量等內容。

圖2：波導測量線的3D 模型

圖3：實驗搭建圖

實驗過程的設計遵循實際實驗的操作流程。對于常規實驗，系統提供實驗指導書，明確實驗目的、實驗內容、實驗要求、實驗步驟和注意事項等。對于自主實驗，系統也提供引導提示信息，幫助用戶建立明確的任務規劃和操作步驟。實驗過程突出操作交互性，增強學生的參與感和自主性。實驗步驟僅給出流程性的引導，包括：原理預習，實驗內容選擇，實驗方法、實驗電路搭建、電路參數設定，儀器設置與測量，數據處理，實驗結果提交，實驗報告生成等環節[8-9]。虛擬儀器的操作使用盡量還原實物操作的情景，讓學生對實際電磁儀器的結構與使用方法有直觀認識，操作過程完全遵照實際儀器的規范要求和操作流程。例如微波信號源，按下開機鍵后儀器屏幕會顯示一個開機模擬動畫展示啟動過程；啟動后，用戶根據界面提示，通過按鍵對儀器進行各項操作，微波信號源的初始設置主要有校準、模式設定、參數設定等(例如頻率設置，功率設置)。數值設置可以通過數字鍵盤輸入，也可利用控制旋鈕進行調節。

2 虛擬實驗系統實現

虛擬實驗系統的實現主要包括三維模型創建、交互界面實現，實驗過程實現幾個方面。

2.1 3D實驗環境建模

圖4：參數虛擬測量實現流程圖

為增強實驗的真實性和交互性，實驗所用儀器、器材、器件均采用3D 模型，能夠通過旋轉和縮放觀察到其結構的細節和尺寸。模型的搭建主要分為基礎建模和材質貼圖兩個過程。基礎建模采用3ds Max 完成，3ds Max 軟件提供有多樣的建模方式，通過不同“修改器”的命令組合來達到需要的效果。基礎建模由基本幾何體繪制、擴展幾何體繪制以及兩者的結合獲得，可將整體儀器設備分為多個部分分別建模，通過多樣的“修改器”命令疊加進行整合。材質貼圖能夠保證儀器、端口及器件模型的逼真性，制作的貼圖主要有儀器按鈕貼圖、儀器面板貼圖和器件貼圖，所用材質主要有普通材質和金屬材質，并進行UVW 展開貼圖，制作的模型外觀、按鍵、接口以及部件的排布和用色，都盡可能與實際儀器設備保持一致[10-11]。圖2 所示為波導測量線的3D 模型。

2.2 交互界面的設計與實現

本系統的UI 界面主要包括首頁、儀器介紹、實驗操作和數據處理等界面。通過MATLAB 的GUI 工具箱，運行圖形用戶界面，選用相關控件進行設計。GUI 工具箱包含豐富的菜單和控件。利用MATLAB 函數，包括控件的CreateFcn 和Callback 設計,能夠定義控件的功能。例如對于電流計表頭可以利用plot、text 繪圖函數來完成，其標尺位置及數值的設定與讀取可以通過set 函數和get 函數實現。人機交互的真實感不僅來自于設備模型外觀結構，更得益于相關操控部件(如旋鈕、開關、指示燈及顯示屏等)的交互性。以虛擬儀器為例，其前面板是用戶與儀器之間信息交流的界面。

本系統的儀器面板采用如下設計：

（1）對于需要定量顯示的信息,采用數字表示；

（2）對于需要定性觀察的信息采用曲線顯示；

（3）對于開關信息的輸入和顯示，采用按鈕和指示燈形式。

在使用儀器時，當按下按鍵,儀器屏幕應顯示相應的內容,所以需要針對按鍵設計和制作對應的儀器屏幕內容,并且儀器屏幕內容要嚴格遵守儀器本身的邏輯(本系統所有儀器之間的遵守相同的接口協議)。

2.3 實驗過程實現

對于一個選定的實驗內容,要求學生根據實驗目的選擇實驗器材、儀器及元器件,搭建實驗電路,設置電路參數，調試設備，測量實驗數據，完成實驗的各項任務。交互控制的基本操作通過GUI工具箱的相關控件和函數來設置完成。以傳輸線工作狀態觀測及阻抗匹配調試為例，實驗需要用到微波信號源、波導可調衰減器、波導測量線、檢波器、直流微安表、雙T 調配器、短路負載、匹配負載和任意負載等,它們之間的連接關系如圖3 所示。

實驗內容中的各虛擬儀器元件的數據接收、處理以及數據反饋傳遞的流程圖如圖4 所示。微波信號源輸出的信號PS經過波導衰減器功率衰減后為波導測量線提供輸入信號PIN，虛擬探針讀取測量線各點的電壓幅度值U，反射系數T，輸入阻抗Z 等參數，這些參數由輸入信號幅值和頻率、負載ZL、調配器電感L、電容C 以及探針在測量線的位置等變量共同決定，變量之間的關系由每一級傳輸函數和約束方程確定。通過探針在測量線上逐點移動，可測得電壓振幅沿線的分布波形并顯示在展示區域。系統結合虛擬矢量網絡分析儀器設計了Smith 圓圖，通過查看調用可直接讀取Smith 圓圖上阻抗和反射系數的數值,也可利用Smith 圓圖通過雙T 調配器進行電抗和電納調節,使阻抗變化點接近匹配點[12]。

3 結語

本文采用虛擬技術實現了以“波導測量線”為基礎的微波傳輸測量實驗。該系統構建了3D 形式的實驗儀器和器材，模擬真實的實驗環境，設計完整的實驗過程，支持學生搭建實驗電路、設置和操作實驗設備，能夠完成微波傳輸狀態觀測、參數測量、匹配設計等各種實驗內容。系統利用圖形交互界面和多媒體技術使得實驗過程清晰、生動、直觀，更好地將抽象理論與實驗現象進行結合，提高了實驗教學的效率，也降低了微波實驗的成本。該系統的開發是虛擬技術和實驗技術的結合，是虛擬技術在抽象理論課程教學中應用的一個探索，也是對微波實驗教學的一個擴充和支撐。