MATLAB儀器控制工具箱在天線實驗教學中的應用

林銘團 毋召鋒

摘? 要：本文根據天線理論課程與實驗課程的自身特點，利用MATLAB的儀器控制工具箱，設計了一種簡單的微波天線測量系統，將儀器控制工具箱應用到天線的實驗教學中。通過指導學生設計微波天線測量系統并完成天線方向圖和駐波等參數的測量，增強學習興趣，加深學生對天線方向圖的理解，培養其自主設計、測試天線的能力，為后續課程或從事天線技術領域的工作打下良好的基礎。

關鍵詞：天線技術? MATLAB? 實驗教學? 天線測量

中圖分類號：TN820;G642.0? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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專業必修課程，擔負著微波技術工程師的人才培養任務。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的傳播特點和規律。相關先修課程有《電磁場理論》、《微波技術基礎》，學生普遍反映這些課程難度大，知識掌握不牢。而這兩門天線類的必修課程與上述先修課程有緊密的聯系，同時天線技術本身對微波技術理論知識和工程實踐技能都有更高的要求，并且在教學過程中發現學生對于天線方向圖這一重要的抽象概念不能很好地掌握，所以學生對這門課的學習熱情不高，有畏難情緒。

為了提高學生的學習熱情、加深對天線理論的理解，當前國內高校均開設了許多課內虛擬仿真實驗[1-3]，主要手段是應用商用電磁三維仿真軟件如CST、HFSS、FEKO等對不同天線進行仿真設計，通過在軟件界面中觀察不同天線的增益、方向圖、極化等關鍵參數來加深對天線這些概念的理解。然而，現實實驗教學中這種仿真學習使學生對于天線的理解停留在概念層面，學生對天線的方向圖這一關鍵概念理解不能融會貫通，缺乏理論聯系實際的能力，特別是工程能力得不到實際的鍛煉。國內高校針對教學中存在的這些問題已經著手進行了課程改革和課程設計[1-3]。由于一般的天線測試系統比較復雜，學生在有效的課堂時間里難以掌握。使用MATLAB平臺[4][5]的儀器控制工具箱，編程簡單且功能強大，開發周期短，基于此本文提出了一種簡單的天線測試系統，可以利用有限的課時通過引導學生自主搭建測試環境和測試系統，并對一些典型的天線進行實際測量，再與仿真設計進行對比，可以有效提高學生學習的積極性，同時鍛煉學生的工程實踐能力。

1? 天線方向圖自動化測試系統

天線方向圖的測試系統不僅包括軟件部分還包括硬件支持，目前國內高校大多有天線測量的暗室以及測試系統，而這些系統大多比較復雜，在為數不多的實驗課程課時要求下，很難讓學生從頭到尾自己搭建測試平臺和對自己設計的天線進行測量。目前比較成熟的軟件平臺主要是高級編程語言和Labview軟件[6][7]，實驗儀器的自動化測量大多使用的是Labview，而這些軟件對于學生而言上手比較困難，特別是儀器控制的接口程序比較復雜。如果以這兩款軟件來開發天線方向圖測試系統，則有點舍本求末。Matlab軟件從7.0版本開始，就已經將儀器控制工具箱集成到了軟件中，特別是對TCP/IP接口通信協議的支持，不僅可以對測試儀器數據進行實時讀取，還可以對儀器進行控制。因此，天線方向圖自動化測試系統可以在Matlab開發平臺中完成。

（1）系統硬件構成。

如圖1所示，天線方向圖測試系統由一臺計算機、一臺矢量網絡分析儀和一個小型轉臺構成。Matlab與各種測量儀器的通信協議遵從虛擬儀器軟件體系結構（VISA），因此計算機和矢量網絡分析儀都需要安裝同一個VISA庫，就可以通過Matlab發送SPCI（Standard Commands for Programmable Instruments）儀器指令實現對矢量網絡分析儀的控制和數據讀取。小型轉臺通過Matlab的串口通信功能實現程序控制，Matlab通過USB串口通信發送轉動角度信息，使得轉臺按照要求進行旋轉。

（2）系統軟件構成。

系統軟件要完成的工作是天線二維方向圖的測量，整個程序流程圖如圖2所示，首先是連接并初始化矢量網絡分析儀，設置矢量網絡分析儀的測試參數（頻段范圍、采樣點數），連接轉臺串口，設置轉臺初始位置和轉動范圍;然后開始測試，轉臺轉動一個角度，讀取一次矢量網絡分析儀上的測試數據并保存;最后，將測試的方向圖曲線繪制出來。

進一步，可以利用Matlab的GUI工具箱設計一個圖形用戶界面，方便儀器參數設置與數據的實時顯示。設計的天線方向圖圖形界面如圖3所示，主要包含轉臺USB串口設置、轉臺位置控制、矢量網絡分析儀參數設置和實時數據顯示窗口等。

2? 實施方法

（1）課前根據教學課時安排，通過問卷、座談以及和其他課程老師溝通深入了解學生的學習基礎，如是否具有一定的編程能力，對于微波技術理論的掌握程度等，梳理教學難點，把握教學進度。

（2）介紹幾種天線的輻射理論和設計方法，并引導學生學習天線仿真相關軟件。

（3）制作一款或者幾款典型的天線設計教程，讓學生提前自主學習天線設計的基本步驟和方法。

（4）對典型天線進行設計、建模、仿真演示，并引導學生自己動手設計一款天線并完成加工。

（5）對學生進行分組，引導組內學生自己搭建一套簡易的天線測試系統，并提供技術指導，引導學生學會團隊協作。

（6）留意教學過程中的難點和學生難懂、易錯的知識點，以便及時講解。

（7）利用學生自己搭建的天線測試系統完成天線的測試，并撰寫課程實驗報告。

3? 預期效果

（1）在學好天線基本理論的同時，使學生從無線電波這一看不見、摸不著的抽象概念中跳出來，完成課本理論知識的學習又可以極大的提高學生自主學習的積極性和主動性，讓學生能夠利用所學的理論知識來指導實踐，解決實際的工程問題;

（2）使學生不僅懂天線的一般理論，還要懂天線設計的一般方法以及測試方法，從而掌握天線的整個設計流程;

（3）在教學中發現學有余力的學生，并指導他們申請電子設計競賽、大學生創新訓練項目等更具挑戰性的課題，從而進一步提高和鍛煉學生的創造力和學以致用的能力。

4? 結語

本文針對目前學生在天線技術課程中遇到的困難，結合理論課與實驗課的自身特點，提出了一種簡易的微波天線測量系統，將Matlab的儀器控制工具箱應用到天線的實驗教學中。通過引導學生自己設計加工天線，團隊協作搭建測試平臺，并用自己搭建的測試平臺完成天線方向圖的測量，有助于學生對天線的進一步理解，同時培養其工程實踐能力和科學素養。更重要的是，在這個工程中學生可以完全參與進來，極大地調動了學生的自主學習的積極性。

參考文獻

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[7] Popov R，Paunkov N，Rangelova V ， et al. Study of hybrid thermal system with photovoltaic panels using virtual instruments[J]. Renewable Energy， 2020，154：1053-1064.