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桌面式天线虚拟实验系统
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1 引言
天线课程抽象难懂，有必要开设一定的实验课以增强学生对天线辐射的理解，但天线实验课的开展需要专门的开阔的场地，加上射频测量设备价格昂贵，数量少难以满足大班次实验的需求，因此目前天线课程基本还是采用课堂讲授的方式，实验课较少，制约了教学效果。
2 桌面式虚拟实验系统
随着网络技术和多媒体技术的发展，各种崭新的教学手段和教学方法正向传统的教学模式发起冲击。本文构建一个桌面式虚拟天线实验系统，让学生通过计算机即可完成传统的天线实验项目，不再受到资金、仪器和场地的限制。
为代替传统的实验，桌面式虚拟天线实验系统必须满足以下要求：
（1） 逼真性：能够真实再现实际实验环境，让学生有身临其境的效果。
（2） 交互性：学生通过与计算机的交互能够完成各项实验步骤，虚拟设备的操作严格按照实际装备的操作流程进行。
（3） 准确性：测试数据必须准确，能够反映实际情况。
2.1. 虚拟现实技术
虚拟现实(简称VR)又称灵境技术，是以浸没感、交互性和构想为基本特征的计算机高级人机界面。使用VRML语言，用户只要有一台满足硬件要求的个人电脑，即可实现一个可编辑的三维空间，这种方法不仅成本低易于实现，而且形式活泼。
虚拟现实技术既可以虚拟实景，又可以虚拟虚景，以增强用户在现实中无法感知或不方便感知的感受，这一点对于天线教学是十分有利的。采用虚拟实景技术可以真实模拟实际的实验测试平台，仪器设备等，虚拟虚景可以将天线方向图、电流分布等看不见的虚景以图形的方式显现出来，虚实结合，加深学生对概念的理解，提高教学效果。
虚拟现实技术互动性强，完全可以满足真实性和交互性的要求，但是软件本身不具备计算功能，只能构建实验系统的“硬件”设施，而不能得到天线性能测试的具体数据。
2.2. 天线仿真技术
求解天线性能参数的方法通常有两种：一种是解析法，一种是数值计算方法。解析法推导严格因而能够获得精确的计算结果，但适用面很窄，只有极少数几何形状非常简单的天线形式才能用解析方法求解，绝大部分的天线是很难严格求解的。随着计算机技术的迅速发展，计算电磁学为各种复杂电磁问题的解决开辟了新的途径。目前常用的数值计算方法有时域有限差分法（FDTD）、有限元法（FEM）、矩量法（MOM）、传输线法（TLM）等，在这些算法的基础上开发出很多相应的电磁计算软件，如Ansys的FEKO，Remcom XFDTD，Flomerics的Micro-strips等等，这些软件均可以用于计算天线增益、输入阻抗、方向图、耦合等信息。我们以NEC2(算法为MOM)软件为平台，对某短波天线进行仿真计算，同时对天线的方向图进行测试，以检验仿真结果的准确性。受测量场地限制，测试天线为20：1的模型天线，计算结果与测量结果对比如图1所示。对比可见，天线仿真计算结果与模型天线测试结果一致性非常好，证明了天线仿真计算方法的准确性。
天线课程抽象难懂，有必要开设一定的实验课以增强学生对天线辐射的理解，但天线实验课的开展需要专门的开阔的场地，加上射频测量设备价格昂贵，数量少难以满足大班次实验的需求，因此目前天线课程基本还是采用课堂讲授的方式，实验课较少，制约了教学效果。
2 桌面式虚拟实验系统
随着网络技术和多媒体技术的发展，各种崭新的教学手段和教学方法正向传统的教学模式发起冲击。本文构建一个桌面式虚拟天线实验系统，让学生通过计算机即可完成传统的天线实验项目，不再受到资金、仪器和场地的限制。
为代替传统的实验，桌面式虚拟天线实验系统必须满足以下要求：
（1） 逼真性：能够真实再现实际实验环境，让学生有身临其境的效果。
（2） 交互性：学生通过与计算机的交互能够完成各项实验步骤，虚拟设备的操作严格按照实际装备的操作流程进行。
（3） 准确性：测试数据必须准确，能够反映实际情况。
2.1. 虚拟现实技术
虚拟现实(简称VR)又称灵境技术，是以浸没感、交互性和构想为基本特征的计算机高级人机界面。使用VRML语言，用户只要有一台满足硬件要求的个人电脑，即可实现一个可编辑的三维空间，这种方法不仅成本低易于实现，而且形式活泼。
虚拟现实技术既可以虚拟实景，又可以虚拟虚景，以增强用户在现实中无法感知或不方便感知的感受，这一点对于天线教学是十分有利的。采用虚拟实景技术可以真实模拟实际的实验测试平台，仪器设备等，虚拟虚景可以将天线方向图、电流分布等看不见的虚景以图形的方式显现出来，虚实结合，加深学生对概念的理解，提高教学效果。
虚拟现实技术互动性强，完全可以满足真实性和交互性的要求，但是软件本身不具备计算功能，只能构建实验系统的“硬件”设施，而不能得到天线性能测试的具体数据。
2.2. 天线仿真技术
求解天线性能参数的方法通常有两种：一种是解析法，一种是数值计算方法。解析法推导严格因而能够获得精确的计算结果，但适用面很窄，只有极少数几何形状非常简单的天线形式才能用解析方法求解，绝大部分的天线是很难严格求解的。随着计算机技术的迅速发展，计算电磁学为各种复杂电磁问题的解决开辟了新的途径。目前常用的数值计算方法有时域有限差分法（FDTD）、有限元法（FEM）、矩量法（MOM）、传输线法（TLM）等，在这些算法的基础上开发出很多相应的电磁计算软件，如Ansys的FEKO，Remcom XFDTD，Flomerics的Micro-strips等等，这些软件均可以用于计算天线增益、输入阻抗、方向图、耦合等信息。我们以NEC2(算法为MOM)软件为平台，对某短波天线进行仿真计算，同时对天线的方向图进行测试，以检验仿真结果的准确性。受测量场地限制，测试天线为20：1的模型天线，计算结果与测量结果对比如图1所示。对比可见，天线仿真计算结果与模型天线测试结果一致性非常好，证明了天线仿真计算方法的准确性。
图2 桌面式虚拟实验系统流程图
以天线立体方向图为例，NEC2软件提供天线功率增益数据，格式
如下:
3 仿真实例
近距离放置的天线之间会产生较强的耦合，从而改变天线原有的方向特性和阻抗特性，在很多场合下，对相邻放置的天线之间的耦合均有一定的要求，在设计中往往通过调整天线之间的距离、方位、角度来作优化设计。天线之间耦合度测量实验的开展对场地要求较高，特别是大型复杂天线，测量成本较高，有了桌面式虚拟实验系统，就可以在普通计算机上完成测量实验，实验步骤如下：
（1） 选择被测试的天线类型。
（2） 设置被测试的两个天线之间的相对距离、方位、角度，见图3。
（3） 设置虚拟网络分析仪的参数，包括测试起始频率，频率间隔等。
（4） 连接两根测试电缆至网络分析仪的输入输出端口，并进行校准。
（5） 分别将电缆连接两副测试天线进行测量，从虚拟网络分析仪读取测试结果，见图4。
（6） 调整天线之间的相对距离、方位和角度，重复以上测试。
（7） 比较不同距离和角度对天线之间耦合的影响并进行分析。
图3 天线耦合测量场地
图4 天线耦合测量曲线
为了让学生了解天线之间的相对距离、方位和角度对天线耦合大小的影响，在系统设计时，可根据工程实际计算多种情况以供学生选择以便比较，使得学生能够在各种要求下，选择合适的参数组合，以达到减小天线耦合的目的。
4 结束语
本文作者创新点：将电磁场数值仿真技术与虚拟现实技术结合，构建一个桌面式虚拟实验系统，该系统在计算机上即可完成天线阻抗、方向图、增益、耦合等项目的测试实验，不再受到资金、仪器和场地的限制。由于VRML是建立在因特网上的交互式三维多媒体技术，因此本文介绍的方法特别适合于大班次的网络教学和远程教学，具有制作方便、成本低廉的优点，其直观性、沉浸性和交互性将大大提高学生的学习兴趣和学习效率，改善教学效果。
参考文献：
[1] 李会，张劲松．虚拟现实技术在工业控制中的应用［J］．微计算机信息，2006.09 ：P74~ P75
[2] 韦有双等．虚拟现实与系统仿真.国防工业出版社．2004．
[3] Chris Marrin，Bruce Campbell．21天学通VRML 2． 人民邮电出版社.2004．
[4] 王秉中．计算电磁学.科学出版社．2005．
[5] 吕英华．计算电磁学的数值方法．清华大学出版社．2006．
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