劉北佳 邱景輝 林澍 王楠楠

摘要：在天線原理實驗課程上測量并繪制方向圖是電子信息類學(xué)生必須掌握的技能。結(jié)合Origin 和Excel的方式處理測量數(shù)據(jù)和高效繪圖的實驗，不但能夠幫助學(xué)生理解輻射方向圖這一重要的天線特性參數(shù)，而且培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)規(guī)范繪圖、撰寫論文的能力。

關(guān)鍵詞：Origin；Excel；天線原理；實驗課程；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號：O6-3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0068-02

1 天線原理實驗現(xiàn)狀分析

天線是無線通信系統(tǒng)必不可少的終端元件，能夠?qū)?dǎo)波系統(tǒng)中傳播的信號轉(zhuǎn)變成空間中傳播的或其相反的過程。天線原理是電子信息領(lǐng)域的學(xué)生和科研人員所必須掌握的知識。由于天線原理理論課程公式較多、較難被學(xué)生充分理解與掌握，且實際工程與科研應(yīng)用中，計算機仿真工具、天線測量的相關(guān)知識與現(xiàn)代儀器設(shè)備的操作至關(guān)重要，天線原理課程實驗是培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)知識解決復(fù)雜工程的電磁輻射問題的必經(jīng)之路。然而，由于天線測試系統(tǒng)造價昂貴，大多數(shù)學(xué)校采用運用計算機軟件仿真具體天線的形式代替手動操作，初學(xué)者往往只知道按部就班的操作，相應(yīng)的阻抗曲線、方向圖等特性參數(shù)就展示在界面上，學(xué)生并不知道是如何得來的，不利于學(xué)生深刻理解特性參數(shù)的物理含義。本校天線原理實驗，利用電磁場與電磁波實驗設(shè)備微波分光儀和自制相應(yīng)頻段的喇叭天線搭建簡易的天線方向圖測試系統(tǒng)，學(xué)生通過指導(dǎo)教師講解、親手操作，較深刻的理解了天線方向圖、E面、H面、半功率點波瓣寬度、極化等特性參數(shù)的含義，以及最小測試距離、旋轉(zhuǎn)測試法等天線測量知識。

2 Excel預(yù)處理實驗測量數(shù)據(jù)

2.1 實驗課程存在的問題

天線的輻射方向圖是指離天線一定距離處輻射場的場強（功率等）隨方向變化的圖形。實際上，天線的方向圖是一個三維空間的立體圖形，但工程上為了測量方便，通常用過最大輻射方向上的兩個相互垂直的兩個主平面（E面和H面）內(nèi)的方向圖來描述具體天線的方向圖特性。天線的方向圖在極坐標(biāo)或直角坐標(biāo)系中表示，且表征輻射能力強弱的值經(jīng)對歸一化處理并對數(shù)形式來繪制。傳統(tǒng)實驗課堂中，學(xué)生在方向圖測試的過程中，記錄大量數(shù)據(jù)，并將其計算處理畫在坐標(biāo)紙上。記錄并繪制的過程占用了大量的課堂時間，極坐標(biāo)方向圖很難規(guī)范畫出。

2.2 Excel預(yù)處理測量值

采用旋轉(zhuǎn)天線法測量接收天線的方向圖，天線每旋轉(zhuǎn)1度，打開excel記錄相應(yīng)接收端顯示裝置上的原始測量數(shù)據(jù)。要獲得科技論文中相應(yīng)的天線方向圖表達(dá)方式，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)化、歸一化處理。值得注意的是這兩步處理的先后與具體操作的含義。由于接收端檢波器是平方率檢波，與場強的平方成正比，測量的結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，再進(jìn)行對數(shù)化處理。若先對數(shù)化處理時應(yīng)進(jìn)行10*LOG10（）函數(shù)操作，接下來對對數(shù)化處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，需要MAX（）函數(shù)操作求一列的最大值，然后逐一減去這個最大值，最終獲得繪制方向圖所需的數(shù)據(jù)。如圖1所示，兩種處理方式得到的用于繪制方向圖的數(shù)據(jù)是一致的，最大值均為0。

3 Origin繪制天線方向圖

Origin作為圖形可視化和數(shù)據(jù)分析軟件，是工程師和科研人員常用的制圖與數(shù)據(jù)分析工具，具有強大的圖形繪制功能且操作簡單。打開Origin窗口，將繪制方向圖的角度數(shù)據(jù)和經(jīng)處理的數(shù)據(jù)復(fù)制粘貼到Book1中不同的列，選中兩列，點擊菜單欄“Plot”下拉列表中“Plot（theta（x），r（y））”進(jìn)行極坐標(biāo)系方向圖繪制。由于默認(rèn)設(shè)置的原因，直接呈現(xiàn)的并非標(biāo)準(zhǔn)的方向圖。需要修改默認(rèn)設(shè)置，將“Radius”選中“Use Y-Axis”，“Set Angular Range”設(shè)置為順時針狀態(tài)。雙擊刻度設(shè)置“Y-Axis”“scale from to increment”范圍以及文本的字號。接下來，雙擊曲線可修改“Line”的“width”和“style”等。雙擊“Legend”可修改圖例，在空白處右鍵可插入文本等。最后，通過菜單欄“Edit”下拉菜單中的“copy page”操作可將繪制好的方向復(fù)制粘貼word里。此外，在word如需修改繪圖，可雙擊圖形直接進(jìn)入Origin中進(jìn)行操作。使用Origin繪制方向圖的數(shù)據(jù)和圖形界面如圖2所示。

4 結(jié)語

結(jié)合Excel記錄并處理數(shù)據(jù)和Origin繪制天線輻射方向圖不但高效、美觀，更加鍛煉了科技繪圖的本領(lǐng)，對學(xué)生撰寫科研報告、發(fā)表科技論文和畢業(yè)論文奠定了堅實的基礎(chǔ)，經(jīng)過幾輪的實踐教學(xué)，幾乎所有學(xué)生都表示此種輔助實驗課程的方式對其大有裨益，值得繼續(xù)應(yīng)用并推廣。

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