天线方向图仿真实验辅助系统设计与构建

徐池，郭谊，韩东

天线方向图仿真实验辅助系统设计与构建

徐池，郭谊，韩东

（海军大连舰艇学院信息系统系，辽宁 大连 116018）

针对天线方向特性学习过程中存在的理论性强、理解抽象、内容枯燥等特点，基于Matlab平台构建天线方向图仿真实验辅助系统。在分析天线方向特性教学内容和教学难点的基础上，提出了实验辅助系统的总体设计思路、功能模块划分以及设计实现，最后通过对阵列天线方向性影响因素实例的仿真与分析，验证了该辅助学习系统的实用性。

天线；电波传播；方向图；天线方向特性

“天线与电波传播”课程是电子与信息工程专业的一门专业基础课。课程主要介绍天线与电波传播的基本理论、基础概念和基本分析方法，重点内容包括对典型天线方向特性、阻抗特性、极化特性、频率特性的学习和理解，而天线方向特性又是天线知识学习中的重中之重[1]。天线方向特性具有抽象性强、表达形式复杂等特点。依据“天线与电波传播”课程天线教学内容的重点，设计与构建天线方向图仿真实验辅助系统，可以灵活实现典型天线方向图仿真，辅助课程的课堂教学，扩展天线类课程的实作形式，有效提高学生自学效果。

1 天线方向特性教学内容分析

“天线与电波传播”课程本身具有理论性强，数学基础要求高；概率抽象，理解掌握难度大；技术性强，联系实际标准高；内容复杂，知识记忆难度大等特点[2]。

天线方向特性的教学部分体现得更为明显，因此在教学内容的选取和教学过程要做到夯实基础、循序渐进、突出重点、深入剖析，最终使得理论问题实际化、抽象问题具体化、复杂问题简单化。

1.1 教学内容选取

参照高等学校信息工程类“十一五”规划教材，“天线与电波传播”课程知识体系结构包括天线、电波传播两个部分[1]。天线部分主要包括天线基础知识、典型天线特性分析及应用，如图1所示。

天线基础知识是整个课程的重点和难点，主要介绍了基本振子的辐射模型、天线电参数、对称振子、天线阵理论及地面对天线电性能的影响。

学习典型天线，主要是运用基本分析方法对具体天线的工作原理及主要电参数进行分析。在天线基础知识和典型天线性能的教学过程中，需要重点突出天线方向函数、二维及三维方向图、天线阵方向图与阵元间距和相位差之间的关系等基础概念的讲授。力求做到重点突出、难点吃透，尽快建立完整的天线理论体系。

图1 课程内容结构示意图

1.2 教学难点分析

由于电磁场自身的非直观性，与电磁场理论一样，为了了解天线的辐射场，也需要建立一整套关于天线方向特性的基础概念和理论来描述。例如天线的方向函数、E/H面方向图、功率方向图、场强方向图、零功率点波瓣宽度、半功率点波瓣宽度、主副瓣、背瓣、栅瓣、方向系数等等[3]。这些概念往往内容枯燥、描述抽象，使学生很难迅速掌握要点。例如，天线的立体方向图要通过若干平面方向图来联想[4]。另外，各个基础概念之间环环相扣，一个理解不透，就会影响到其他知识点的学习和掌握。因此，如何将抽象概念理论具体化，讲好描述天线特性的基础概念和理论是本课程的首要难题。

2 基于Matlab的天线方向图仿真实验辅助系统构建

设计构建基于Matlab的天线方向图仿真实验辅助系统，为课程的教学实施提供灵活多样的仿真工具，改善教学效果。同时，方便学生利用平台工具开展自主学习，提高学生分析、解决抽象和复杂问题的能力。以平台设计、构建为牵引，教授学生利用工具搭建简单天线方向图仿真软件，提高学生实际动手能力。

2.1 总体设计思路

天线方向图仿真实验辅助系统基于Matlab平台进行构建，应用Matlab强大的绘图计算功能以外，也突出对GUI（Graphical User Interfaces）图形用户界面功能的应用[5]。

系统构建的目的是整合典型天线的方向图，方便用户使用，由抽象的方向函画出具体直观的方向图，包括静态的二维、三维方向图，还有动态的二维、三维方向图，加深使用者对各典型天线方向性的理解。

设计时应重点考虑以下几个方面：①界面友好，板块划分清晰。清晰的设计板块可以使学生快捷、准确地掌握仿真系统的使用方法，辅助系统界面如图2所示。②天线种类齐全，满足教学需求。根据教学目标，挑选典型天线类型，由简入难，由线天线到面天线，涵盖天线基本类型。③绘图和计算功能完善。具有二维、三维绘图功能，能够计算反映天线方向特性的重要参数——方向系数。④引入动态图与滑块。使某一参量的变化对方向性带来的影响更加清晰明了，便于全方位、多角度地观察。⑤设置存储单元，实现图像与数据的分析、比较，在软件中添加存储图像与记录运行数据的功能模块。

图2 天线方向图仿真实验辅助系统界面

2.2 功能模块的设计实现

2.2.1 天线类型选择模块及实现

课程教学中主要涉及的典型天线包括对称振子天线、双极天线、直立天线、行波单导线、菱形天线、矩形同相口径天线、元均匀直线阵、元侧射阵、元端射阵。

首先新建弹出式菜单（Pop-up Menu）按钮，在String中输入具体的天线种类。

其次，在编写M程序中，在弹出式菜单（Pop-up Menu）请选择天线类型上，点击鼠标右键，选择下拉菜单中的View Callback-Callback，在functionpopupmenu1-Callback下编写回调函数。由于需要对String中的天线种类选项进行选择，所以使用不同的value值来实现实质上的选择，并且将value的值赋给，使用Switch语句实现值的选择，当取不同值时，实现天线类型的选择。

2.2.2 天线参数设置模块及实现

由于各个种类的天线的方向图受多个参数的控制，所以要明确影响各个天线方向图的参数。在编写程序时，首先，在每个可编辑文本（Edit Text）处点击鼠标右键，选择下拉菜单中的View Callback-Callback，在functioneditsita_Callback（以editsita为例）下编写回调函数，在输入参数时用get函数获取函数返回值，并将需要将字符串转化为数字。其次，点击滑动条（Slider）编写其回调函数（Callback）。由于文本框中所显的数据都是以字符串的形式出现。使用str2num与str2double函数来实现字符串转化为数字，将每个文本框的返回值都以类似的方式处理，实现了参数的输入。最后，以参数明暗的形式设置各个天线的可用参数。

以平行二元阵为例，示范程序如下：

可编辑文本（Edit Text）的回调函数Callback

sz=get(hObject，'string');%string为字符串

h=str2double(sz);%字符串双精度

滑动条（Slider）的回调函数Callback

fai0=get(hObject，'Value');

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

handles.fai0=fai0;%更新数据

2.2.3 方向图图像显示模块及实现

使用Axes建立四个画图模块，当天线类型选择完毕和参数输入完毕之后，按下绘图按钮，在图像显示区域（Axes）得到天线的方向图。

编写回调函数时，首先编写触控按钮（Push Button）的实现程序。其次，建立图像和调用函数之间的关系，采用与天线选择模块相类似的设置Vaule值的方法，结合Switch-Case选择语句。选择不同天线时，编写不同的方向函数。最后，用极坐标或者直角坐标的方式画出天线的方向图，polar函数实现了对极坐标图像的仿真，polt实现对直角坐标方向图的仿真。Axes（handles.axes1）这个语句规定了用哪一个坐标轴来显示这个图像。sph2cart函数是对坐标进行转换，mesh函数实现三维图绘制，axes（handles.axes2）则规定在第二个坐标轴上显示图像。以行波单导线天线为例，回调函数示范程序如下：

function handles=surfplot21(handles)%调用函数

l=get(handles.editl，'string');%调用界面输入的l的数值

l=str2double(l);

sita=(pi/180：pi/180：2*pi);%自变量的范围

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

h1=polar(sita，r/max(r));%画极坐标方向图

set(h1，'LineWidth'，2);%设置画图图线的宽度

title('对称振子E面方向图'，'FontSize'，16);%设置标题字体大小

2.2.4 图像动画控制保存模块及实现

为了实现不同参数下同一天线的方向性能对比或者不同天线的方向性能对比，可以将图像保存起来，以供对比。

在界面设计中，使用触控按钮（Push Button）设置保存图像按钮，通过对其属性的设置，改变背景颜色，设置字体、字号、String、Tag，设置其Enable为inactive等。点击“保存图片”时，弹出选择保存路径。

在回调函数Button DownFcn中，axes（handles.axes1）表征了存储的图像，可实现存储三维图，E面、H面的图像到任意文件夹中。movie2avi可以实现动态图片的存储。

2.2.5 知识点简介界面及实现

为了方便使用者的使用，对每个天线有大概的简介，包括其工作波长、极化特性、使用场合、方向特性等基本信息。首先，新建面板（Panel）命名为知识一点通，并且填充如图颜色。其次，用可编辑文本（Edit Text）创建可编辑框并修改属性，确定可编辑文本框内设字的大小，在String处写入参数名字。单击鼠标右键，选择View Callbacks-Button DownFcn，则显示该按钮的Button DownFcn回调函数，在该函数体内编写对应代码即可。

3 辅助系统在课程教学中的应用示例

运用构建的天线方向图仿真实验辅助系统，以阵列天线中的侧射阵为例，可以方便快捷、形象直观地比较不同阵元个数，间距不同时，元侧射阵天线方向图的变化。这里取4，仿真分析阵元间隔分别为0.2，0.6，0.9，1.3时的三维和二维方向图，其中阵元为1倍波长的对称阵子天线。间距不同时，元侧射阵立体图的比较如图3所示。

（a）=0.2（b）=0.6

（c）=0.9（d）=1.3

图3 间距不同时4元侧射阵立体方向图

如图3所示，侧射式天线阵的最大辐射方向在阵轴侧向，（90°和270°）。随着的增加，在阵轴方向（0°和180°）产生栅瓣，且栅瓣的幅值不断增加，当=0.9时，栅瓣的幅值与主瓣的幅值相比拟。当继续增大到1.3时，可以看到栅瓣数目和幅值都不断增加，分散了主瓣的能量，说明此时天线的方向性变差。综上，随着的增大，天线的栅瓣数目增多，幅值增大，天线的方向性变差。

间距不同时，元侧射阵阵因子极坐标方向图的比较如图4所示。

（a）=0.2（b）=0.6

（c）=0.9（d）=1.3

图4 不同时元侧射阵阵因子E平面方向图

如图4所示，随着间距的增加，阵因子方向图的波束宽度逐渐变窄，但是副瓣数目逐渐增加。当=0.9时，出现幅值较大的旁瓣。随着的进一步增大，栅瓣数量进一步增多。综上，随着的增加，主瓣变窄，栅瓣增多，天线的方向性变差。

4 结束语

天线理论抽象性强，涉及大量复杂的数学公式，学生在学习该专业知识时，普遍感到吃力，不易理解，教师授课时如果一味追求公式的推导、原理的讲述，势必会造成课堂的气氛的枯燥乏味。本文基于Matlab软件平台，设计构建了天线方向图仿真实验辅助系统，运用该仿真系统，可灵活设置参数，仿真分析“天线与电波传播”课程中涉及的典型天线方向图，使学生加深对概念、原理的认识，把抽象的原理简单化，提高学生分析问题解决问题的能力，取得了较好的讲授认知效果。

［1］宋铮，张建华，黄治.天线与电波传播［M］.西安：西安电子科技大学，2007：8-14.

［2］杨虎，张炜.多媒体教学在《电波与天线》课程中的应用［J］.高等教育研究学报，2011，32（4）：65-67.

［3］杨国斌，张援农，蒋春华，等.电波传播与天线专业的教学实验研究［J］.实验科学与技术，2014，12（5）：74-76.

［4］邹全.Matlab软件在“天线与电波传播”课程中的应用［J］.常州工学院学报，2014，27（3）：85-89.

［5］张志涌，杨祖樱.Matlab R2012a教程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2010：296-317.

TN820

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.023

2095－6835（2019）19－0058－04

徐池（1984—），男，硕士，讲师，主要研究方向为通信系统分析与应用。

〔编辑：张思楠〕