天线实验教学仿真系统的研究

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1、天线实验教学仿真系统的研究【摘要】采用VisualBasic软件开发工具设计并实现了天线实验教学仿真系统。首先给出了系统的构成，讨论了天线模型的建立、天线方向性图和天线输入阻抗的测量，最后介绍了系统的软件实现过程。所设计的天线实验教学仿真系统实现了天线的方向性图和输入阻抗的测量过程，应用表明天线实验教学仿真系统具有交互性好、实用和逼真等特点。【关键词】天线实验教学，方向性图测量，输入阻抗测量，仿真ResearchonthesimulationsystemforantennaexperimentteachingAsimulationsystemfora

2、ntennaexperimentteachingisachievedbyVisualBasicsoftwaretools.Theconfigurationofthesystemandtheantennamodelingaregiven.Thenthemeasurementsforantennapatternandantennainputimpedancearediscussed.Finally,thesoftwareimplementationofthesystemisintroduced.Thesystemhasachievedthesimulat

3、ionmeasurementofantennapatternandantennainputimpedance.Theapplicationinantennaexperimentteachingshowsthesystemhasagoodinteractivity,verisimilitude,andpracticability.1引言近年来的大学扩招，使全国大多数高等学校都面临硬件设施不足、实验仪器缺乏的问题，导致实验课无法开设，直接影响了课程教学的质量。天线是电子类专业的一门重要专业基础课，然而天线课程实验所用到的仪器价格昂贵，绝大多数高校缺乏足够

4、的资金购置天线实验教学仪器，另外天线实验容易受到环境的影响，要获得准确的测量结果还需要专门的测量场地，所以开设天线实验课程是非常困难的。为了提高天线教学的质量，克服实验室条件不足的难题，文献[1]提出利用计算机辅助教学的方法，对天线实验所用到的仪器设备以及测量过程进行模拟。然而，文献[1]所完成软件中的天线测试仪器以及器件均是自己画的简单图形，大部分测试数据是通过插值方法得到，也没有考虑测试环境，天线测量的逼真较差。文献[2]将电磁仿真软件和虚拟现实技术结合在一起，实现了一个桌面式天线虚拟实验系统，但是在测试仪器、测试环境以及测试操作方面的仿真上与实

5、际的天线测量脱节较大。我们以真实地反映实际的天线测量为理念，在完成虚拟微波技术实验系统的基础上[3]，开发研制了天线实验教学仿真系统，并将其应用到了天线实验教学中，取得了良好的实验教学效果。2天线实验教学仿真系统的构成系统包括学生机天线实验教学仿真子系统和教师机天线实验教学仿真子系统两个部分，如图1所示。天线实验教学仿真系统学生机子系统教师机子系统方向性图测量输入阻抗测量测量操作过程数据采集处理显示评分及提交成绩帮助文件测量操作过程数据采集处理显示评分及提交成绩帮助文件实验成绩接收实验成绩管理（查询、修改、打印）图1天线实验教学仿真系统的构成学生机仿

6、真子系统是天线实验教学仿真系统的主体，又包含了天线方向性图测量和输入阻抗测量两个单元。天线方向性图测量单元由方向性图测量、数据处理、帮助文件和评分四个模块组成。教师机仿真子系统通过实验室局域网接收、存储学生提交的实验成绩和个人信息，可以进行学生实验信息的查询、修改和打印等工作。3天线建模与天线测量方法3.1天线建模系统设计了螺旋天线、喇叭天线、八木天线三种天线的测量仿真系统。天线参数测量的仿真是依据天线的数学模型来实现的，我们以H面扇形喇叭天线为例，简单介绍一下天线模型的建立。首先，H面扇形喇叭天线是由矩形波导在H面（由电磁场传播方向和磁场方向决定的

7、平面）逐渐扩展形成的，为了抑制高次模，喇叭天线的馈电波导的尺寸必须满足单模传输的条件，即波导宽边在半个波长至一个波长之内[4]，窄边在半个波长以内；其次，对每一种喇叭长度来说，都有一个使增益获得最大值的最佳口径长度，此最佳口径长度有成熟的理论计算公式，可以根据需要选择喇叭长度，然后确定口经长度的最佳值。据此便可以设计出一个简单的H面扇形喇叭天线。H面扇形喇叭有较成熟的辐射场强计算公式，其S11参数和输入阻抗也可以通过理论计算获得，但是为了模拟出实际的喇叭天线测量数据，我们采用Ansoft公司的HFSS三维电磁仿真软件仿真得到S11参数和输入阻抗的曲线

8、，取出离散值用于以后的仿真系统的编程。3.2天线方向性图测量天线参数的测试和鉴定是在天线测试场中进行的。理想