1、1Matlab 在天线阵列教学中的应用摘要：对电磁场专业的教学现状进行了简单分析，阐述了将 Matlab引入到电磁场专业课程教学的优势，并以天线阵列教学为例进行了论证。Matlab以其强大的数值计算和简单易用的 UI功能，不仅使电磁场专业课程的教学摆脱了枯燥乏味的现状，而且使其变得更加生动有趣，加深了学生对原理、复杂公式的理解，为大学电磁场专业课程的教学改革提供了更加广阔的前景。 关键词：Matlab；电磁场；天线阵 中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2013）05-0059-03 一、引言 电磁场理论及其相关专业课程是研究电磁波的产生、传播、接收等现象的
2、课程，是工科电子类专业重要的专业基础平台核心课程。电磁场专业系列课程普遍存在教师“难教” 、学生“难学” 、课程“难考”的问题。电磁场专业的相关课程理论抽象性强、涉及大量复杂的数学公式，学生在学习该专业知识的过程中普遍感到吃力、不易理解，教师授课的过程中若一味追求公式的推导、原理的讲述，势必造成课堂气氛的枯燥、乏味。若在授课过程中引入动画、简单的实验，将能使学生加深对概念、原理的认识，把抽象的理论简单化，提高学生分析问题解决问题的能力，取得较好的讲授认知效果。 2二、Matlab 软件适用于课堂教学 面向科学与工程计算的高级语言 Matlab应用软件，以矩阵运算为基础，内含有丰富、全面的各类函
3、数库，通过简单的函数调用即可把难于理解的电磁场理论知识、复杂的计算公式清晰地表达出来，再通过Matlab软件的高可视化科学工程计算功能，以图形图像、动画的形式展现出来，既加深了学生对理论知识的认知深度，又提升了他们的学习热情，从而取得较好的教学效果。 Matlab 软件适用于课堂教学具有如下优势： 1.编程效率高 Matlab 是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许用数学形式的语言编写程序，且比 Basic、Fortran 和 C等语言更加接近我们书写计算公式的思维方式，用 Matlab编写程序犹如在演算纸上排列出公式求解问题。代码编写简单，编程效率高，易学易懂。 2.用户使用方便 Matl
4、ab 语言是一种解释执行的语言，它活、方便，调试手段丰富，调试速度快，容易上手。人们用任何一种语言编写程序和调试程序一般都要经过四个步骤：编辑、编译、连接以及执行和调试。各个步骤之间是顺序关系，编程的过程就是在它们之间作瀑布型的循环。 3.扩充能力强 高版本的 Matlab语言有丰富的库函数，在进行复杂的数学运算时可以直接调用，而且 Matlab的库函数同用户文件在形式上一样，所以用户文件也可作为 Matlab的库函数来调用。因而，用户可以根据自己的需要3方便地建立和扩充新的库函数，以便提高 Matlab使用效率和扩充它的功能。 4.语句简单，内涵丰富 Matlab 语言中最基本最重要的成分是
5、函数，其一般形式为a，b，c=fun（d，e，f） ，即一个函数由函数名，输入变量d，e，f和输出变量 a，b，c组成，同一函数名，不同数目的输入变量（包括无输入变量）及不同数目的输出变量，代表着不同的含义（有点像面向对象中的多态性） ，这不仅使 Matlab的库函数功能更丰富，而且大大减少了需要的磁盘空间，使得 Matlab编写的 M文件简单、短小而高效。 5.高效方便的矩阵和数组运算 Matlab 语言象 Basic、Fortran 和 C语言一样规定了矩阵的算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、条件运算符及赋值运算符，而且这些运算符大部分可以毫无改变地照搬到数组间的运算中。另外，它不需要定
6、义数组的维数，并且给出了矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所不能比拟的。 三、Matlab 软件在天线阵列理论课堂教学中的应用 天线阵是一类由不少于两个天线单元规则排列或随机排列并通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。在阵列天线的基本分析和综合中，先假设阵列单元上的电流或场与所加的激励成比例，阵列扫描时单元的激励不变，即不考虑单元在阵列中的互耦，然后再专门研究阵列天线互4耦影响的计算及其弱化和补偿方法。从结构上分析，天线阵列有线阵、面阵、体阵之分，本文以线阵为例，研究天线阵列单元间距、馈
7、电幅度等参数变化对阵列辐射特性的影响，并将其以基于 Matlab编程的友好 UI界面形式展现给听课的学生。 本文中，以阵列单元按照 Talyor形式馈电为例，编写了 Matlab程序并形成了可视化软件，见图 1。在界面中输入线阵计算所需参数，即可绘出阵元馈电幅度分布、阵列辐射方向图等关心的关键指标。 泰勒阵列各单元激励幅度： hn（p）=1+2Sn（m）cos（mp） 其中： 设计时根据副瓣电平指标要求，选择适当的 n，n 越大，主瓣越窄，n的选取不宜过大，否则会引起激励幅度变化剧烈，实现起来难度增大。 在实际课堂教学中，讲解到阵列天线部分，应用上述制作的软件，在课堂上直接将整个过程展示给学生
8、，对于他们深刻理解阵列参数变化对天线阵辐射特性的影响起到了直观、深刻的效果，避免了大量不必要的文字性讲述，取得了较好的课堂讲授效果。 四、结论 从软件的实际应用可见，整个过程不需要复杂的数学知识和复杂的编程，仅需在编制的软件界面左侧输入关心的阵列参数，即可现时在右侧的图形展示框中观测到天线阵列的相关特性，节省了教师课堂讲授天线阵列抽象特性的时间，加深了学生对阵列特性的理解，大大调动了他们的学习兴趣，在一定程度上改变了电磁场相关课程学习枯燥、题目难5解、学习主动性不高的教学现状。 参考文献： 1郭建涛.数字信号处理课程的 Matlab教学研究J.电气电子教学学报，2010，l32（3）. 2马静敏等.MATLAB 在理论力学教学现代化中的应用J.吉林广播电视大学学报，2011， （5）. 3田雨波等.基于 MATLAB的电磁场理论之可视化教学研究J.现代电子技术，2011， （20）. 4张祖稷等.雷达天线技术M.北京：电子工业出版社，2005.
