MATLAB仪器控制工具箱在天线实验教学中的应用

林铭团 毋召锋

摘  要：本文根据天线理论课程与实验课程的自身特点，利用MATLAB的仪器控制工具箱，设计了一种简单的微波天线测量系统，将仪器控制工具箱应用到天线的实验教学中。通过指导学生设计微波天线测量系统并完成天线方向图和驻波等参数的测量，增强学习兴趣，加深学生对天线方向图的理解，培养其自主设计、测试天线的能力，为后续课程或从事天线技术领域的工作打下良好的基础。

关键词：天线技术  MATLAB  实验教学  天线测量

中图分类号：TN820;G642.0             文献标识码：A                    文章编号：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

《天線与电波传播》和《高等天线理论》分别作为我校电子信息类本科生和硕士研究生的两门专业必修课程，担负着微波技术工程师的人才培养任务。课程主要讲述天线与电波传播的基本概念与基本分析方法、各种类型天线的基本性能、电波传播的主要传播方式及相应的传播特点和规律。相关先修课程有《电磁场理论》、《微波技术基础》，学生普遍反映这些课程难度大，知识掌握不牢。而这两门天线类的必修课程与上述先修课程有紧密的联系，同时天线技术本身对微波技术理论知识和工程实践技能都有更高的要求，并且在教学过程中发现学生对于天线方向图这一重要的抽象概念不能很好地掌握，所以学生对这门课的学习热情不高，有畏难情绪。

为了提高学生的学习热情、加深对天线理论的理解，当前国内高校均开设了许多课内虚拟仿真实验[1-3]，主要手段是应用商用电磁三维仿真软件如CST、HFSS、FEKO等对不同天线进行仿真设计，通过在软件界面中观察不同天线的增益、方向图、极化等关键参数来加深对天线这些概念的理解。然而，现实实验教学中这种仿真学习使学生对于天线的理解停留在概念层面，学生对天线的方向图这一关键概念理解不能融会贯通，缺乏理论联系实际的能力，特别是工程能力得不到实际的锻炼。国内高校针对教学中存在的这些问题已经着手进行了课程改革和课程设计[1-3]。由于一般的天线测试系统比较复杂，学生在有效的课堂时间里难以掌握。使用MATLAB平台[4][5]的仪器控制工具箱，编程简单且功能强大，开发周期短，基于此本文提出了一种简单的天线测试系统，可以利用有限的课时通过引导学生自主搭建测试环境和测试系统，并对一些典型的天线进行实际测量，再与仿真设计进行对比，可以有效提高学生学习的积极性，同时锻炼学生的工程实践能力。

1  天线方向图自动化测试系统

天线方向图的测试系统不仅包括软件部分还包括硬件支持，目前国内高校大多有天线测量的暗室以及测试系统，而这些系统大多比较复杂，在为数不多的实验课程课时要求下，很难让学生从头到尾自己搭建测试平台和对自己设计的天线进行测量。目前比较成熟的软件平台主要是高级编程语言和Labview软件[6][7]，实验仪器的自动化测量大多使用的是Labview，而这些软件对于学生而言上手比较困难，特别是仪器控制的接口程序比较复杂。如果以这两款软件来开发天线方向图测试系统，则有点舍本求末。Matlab软件从7.0版本开始，就已经将仪器控制工具箱集成到了软件中，特别是对TCP/IP接口通信协议的支持，不仅可以对测试仪器数据进行实时读取，还可以对仪器进行控制。因此，天线方向图自动化测试系统可以在Matlab开发平台中完成。

（1）系统硬件构成。

如图1所示，天线方向图测试系统由一台计算机、一台矢量网络分析仪和一个小型转台构成。Matlab与各种测量仪器的通信协议遵从虚拟仪器软件体系结构（VISA），因此计算机和矢量网络分析仪都需要安装同一个VISA库，就可以通过Matlab发送SPCI（Standard Commands for Programmable Instruments）仪器指令实现对矢量网络分析仪的控制和数据读取。小型转台通过Matlab的串口通信功能实现程序控制，Matlab通过USB串口通信发送转动角度信息，使得转台按照要求进行旋转。

（2）系统软件构成。

系统软件要完成的工作是天线二维方向图的测量，整个程序流程图如图2所示，首先是连接并初始化矢量網络分析仪，设置矢量网络分析仪的测试参数（频段范围、采样点数），连接转台串口，设置转台初始位置和转动范围;然后开始测试，转台转动一个角度，读取一次矢量网络分析仪上的测试数据并保存;最后，将测试的方向图曲线绘制出来。

进一步，可以利用Matlab的GUI工具箱设计一个图形用户界面，方便仪器参数设置与数据的实时显示。设计的天线方向图图形界面如图3所示，主要包含转台USB串口设置、转台位置控制、矢量网络分析仪参数设置和实时数据显示窗口等。

2  实施方法

（1）课前根据教学课时安排，通过问卷、座谈以及和其他课程老师沟通深入了解学生的学习基础，如是否具有一定的编程能力，对于微波技术理论的掌握程度等，梳理教学难点，把握教学进度。

（2）介绍几种天线的辐射理论和设计方法，并引导学生学习天线仿真相关软件。

（3）制作一款或者几款典型的天线设计教程，让学生提前自主学习天线设计的基本步骤和方法。

（4）对典型天线进行设计、建模、仿真演示，并引导学生自己动手设计一款天线并完成加工。

（5）对学生进行分组，引导组内学生自己搭建一套简易的天线测试系统，并提供技术指导，引导学生学会团队协作。

（6）留意教学过程中的难点和学生难懂、易错的知识点，以便及时讲解。

（7）利用学生自己搭建的天线测试系统完成天线的测试，并撰写课程实验报告。

3  预期效果

（1）在学好天线基本理论的同时，使学生从无线电波这一看不见、摸不着的抽象概念中跳出来，完成课本理论知识的学习又可以极大的提高学生自主学习的积极性和主动性，让学生能够利用所学的理论知识来指导实践，解决实际的工程问题;

（2）使学生不仅懂天线的一般理论，还要懂天线设计的一般方法以及测试方法，从而掌握天线的整个设计流程;

（3）在教学中发现学有余力的学生，并指导他们申请电子设计竞赛、大学生创新训练项目等更具挑战性的课题，从而进一步提高和锻炼学生的创造力和学以致用的能力。

4  结语

本文针对目前学生在天线技术课程中遇到的困难，结合理论课与实验课的自身特点，提出了一种简易的微波天线测量系统，将Matlab的仪器控制工具箱应用到天线的实验教学中。通过引导学生自己设计加工天线，团队协作搭建测试平台，并用自己搭建的测试平台完成天线方向图的测量，有助于学生对天线的进一步理解，同时培养其工程实践能力和科学素养。更重要的是，在这个工程中学生可以完全参与进来，极大地调动了学生的自主学习的积极性。

参考文献

[1] 邢蕾，孔祥鲲，徐千.理论分析与电磁仿真结合的微波器件设计教学[J].实验技术与管理，2019，36（3）： 140-145.

[2] 傅世强，李婵娟，房少军.微带天线阵的设计与实验教学研究[J].电气电子教学学报，2017，39（5）：126-129.

[3] 宋立众，丁畅，刘尚吉，等.超宽带喇叭天线电磁仿真与教学实验研究[J].实验技术与管理，2016，33（6）：31-37.

[4] 张歆彤.MATLAB仿真技术及应用[J].山东工业技术， 2018，（11）：147.

[5] 陈书文，王玉玺，周近.MATLAB仿真在通信原理课程教学中的应用[J].数码世界，2018（6）：331-332.

[6] Vázquez-Rodríguez，M，Jiménez，F.J， De Frutos J .Virtual instrument to obtain electrical models of piezoelectric elements used in energy harvesting[J]. Advances in Applied Ceramics， 2018， 117（4）：201-211.

[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.