Origin和Excel在天线原理实验课程数据处理中的应用

刘北佳 邱景辉 林澍 王楠楠

摘要：在天线原理实验课程上测量并绘制方向图是电子信息类学生必须掌握的技能。结合Origin 和Excel的方式处理测量数据和高效绘图的实验，不但能够帮助学生理解辐射方向图这一重要的天线特性参数，而且培养了学生科学规范绘图、撰写论文的能力。

关键词：Origin；Excel；天线原理；实验课程；数据处理

中图分类号：O6-3 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）08-0068-02

1 天线原理实验现状分析

天线是无线通信系统必不可少的终端元件，能够将导波系统中传播的信号转变成空间中传播的或其相反的过程。天线原理是电子信息领域的学生和科研人员所必须掌握的知识。由于天线原理理论课程公式较多、较难被学生充分理解与掌握，且实际工程与科研应用中，计算机仿真工具、天线测量的相关知识与现代仪器设备的操作至关重要，天线原理课程实验是培养学生运用所学知识解决复杂工程的电磁辐射问题的必经之路。然而，由于天线测试系统造价昂贵，大多数学校采用运用计算机软件仿真具体天线的形式代替手动操作，初学者往往只知道按部就班的操作，相应的阻抗曲线、方向图等特性参数就展示在界面上，学生并不知道是如何得来的，不利于学生深刻理解特性参数的物理含义。本校天线原理实验，利用电磁场与电磁波实验设备微波分光仪和自制相应频段的喇叭天线搭建简易的天线方向图测试系统，学生通过指导教师讲解、亲手操作，较深刻的理解了天线方向图、E面、H面、半功率点波瓣宽度、极化等特性参数的含义，以及最小测试距离、旋转测试法等天线测量知识。

2 Excel预处理实验测量数据

2.1 实验课程存在的问题

天线的辐射方向图是指离天线一定距离处辐射场的场强（功率等）随方向变化的图形。实际上，天线的方向图是一个三维空间的立体图形，但工程上为了测量方便，通常用过最大辐射方向上的两个相互垂直的两个主平面（E面和H面）内的方向图来描述具体天线的方向图特性。天线的方向图在极坐标或直角坐标系中表示，且表征辐射能力强弱的值经对归一化处理并对数形式来绘制。传统实验课堂中，学生在方向图测试的过程中，记录大量数据，并将其计算处理画在坐标纸上。记录并绘制的过程占用了大量的课堂时间，极坐标方向图很难规范画出。

2.2 Excel预处理测量值

采用旋转天线法测量接收天线的方向图，天线每旋转1度，打开excel记录相应接收端显示装置上的原始测量数据。要获得科技论文中相应的天线方向图表达方式，需对数据进行对数化、归一化处理。值得注意的是这两步处理的先后与具体操作的含义。由于接收端检波器是平方率检波，与场强的平方成正比，测量的结果进行归一化处理，再进行对数化处理。若先对数化处理时应进行10*LOG10（）函数操作，接下来对对数化处理后的数据进行归一化处理，需要MAX（）函数操作求一列的最大值，然后逐一减去这个最大值，最终获得绘制方向图所需的数据。如图1所示，两种处理方式得到的用于绘制方向图的数据是一致的，最大值均为0。

3 Origin绘制天线方向图

Origin作为图形可视化和数据分析软件，是工程師和科研人员常用的制图与数据分析工具，具有强大的图形绘制功能且操作简单。打开Origin窗口，将绘制方向图的角度数据和经处理的数据复制粘贴到Book1中不同的列，选中两列，点击菜单栏“Plot”下拉列表中“Plot（theta（x），r（y））”进行极坐标系方向图绘制。由于默认设置的原因，直接呈现的并非标准的方向图。需要修改默认设置，将“Radius”选中“Use Y-Axis”，“Set Angular Range”设置为顺时针状态。双击刻度设置“Y-Axis”“scale from to increment”范围以及文本的字号。接下来，双击曲线可修改“Line”的“width”和“style”等。双击“Legend”可修改图例，在空白处右键可插入文本等。最后，通过菜单栏“Edit”下拉菜单中的“copy page”操作可将绘制好的方向复制粘贴word里。此外，在word如需修改绘图，可双击图形直接进入Origin中进行操作。使用Origin绘制方向图的数据和图形界面如图2所示。

4 结语

结合Excel记录并处理数据和Origin绘制天线辐射方向图不但高效、美观，更加锻炼了科技绘图的本领，对学生撰写科研报告、发表科技论文和毕业论文奠定了坚实的基础，经过几轮的实践教学，几乎所有学生都表示此种辅助实验课程的方式对其大有裨益，值得继续应用并推广。

参考文献

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