基于虚拟现实技术的微波技术与天线课程实验教学实践与探索

基于虚拟现实技术的微波技术与天线

课程实验教学实践与探索

姜志森,翟龙军,张树森

(海军航空工程学院电子信息工程系,山东烟台 264001)

摘 要:虚拟现实技术能够解决虚拟实验教学情景化及交互性的要求,在现代教育领域内有着极其巨大的应用前景。结合军队院校本科教学实际,对虚拟现实技术在微波技术与天线课程实验教学中的应用价值和虚拟实验室的构建进行了探索,给出了虚拟实验平台的硬件、软件体系结构,设计了可在此平台上实现的实验模块。

关键词:虚拟实验室;实验教学;微波技术;天线

中图分类号:T P391.9;T N 105 文献标志码:A 文章编号:1002 4956(2010)06 0085 04

Experiment teaching practice and exploration of microwave technology

and antenna course based on virtual reality technology

Jiang Zhisen,Zhai Long jun,Zhang Shusen

(Depar tment of Electr onics and Informat ion Eng ineering ,N aval A eronautic

Eng ineering Instit ute,Yantai 264001,China)

Abstract:Since v ir tual labor ator y based on v irtual reality technolo gy is v isual and int er active,it has g reat ad v antag e in modern education.Based o n the reality of militar y underg raduate co ur se education,r esear ch on the vir tue o f virtual labor ator y and implementat ion of m icrow ave virtual labo rator y are perfo rmed.So ftwa re and har dw are ar chitectur es o f micro wav e v ir tua l labo rato ry ar e given.A nd labo rato rial modules are designed.Key words:v ir tual labor ator y;experiment teaching;micro wav e technolog y;antenna

收稿日期:2009 11 30 修改日期:2009 12 31

作者简介:姜志森(1962 ),男,山东省荣成县人,硕士,高级工程师,主

要研究方向:电磁场与微波技术.

E mail:zh ailong jun@https://www.360docs.net/doc/939745986.html,

从20世纪90年代开始,我国的本科教育步入一个崭新时期,在校学生人数不断增加,尽管各个院校在本科教育的软硬件建设上做了大量工作,也培养了大

量专门人才;但是,很多院校依然存在着经费紧张、实验设施不足等问题。这也直接阻碍了学生的动手能力、想象能力和创新能力的发展,影响了本科教学质量的进一步提高。虚拟现实(v ir tual r ealily )技术的出现,为上述问题提供了一条较好的解决之路。

虚拟现实简称VR,是20世纪90年代兴起的一门崭新的综合性信息技术,它利用计算机等高科技手段,使参与者获得和现实一样的感觉。在虚拟世界中,人们可以通过视、听和触摸等各种交互手段进行感知与交互,从而使人与这个虚拟的世界融为一体

[1 2]

。

与传统的人机交互技术相比,虚拟现实具有3个显著特征:沉浸性、交互性和构想性。作为一门先进的人机交流技术,虚拟现实技术已被广泛应用于视景仿

真、军事模拟、虚拟制造、虚拟设计、虚拟装配、科学可视化等领域[3 5]。

1 虚拟现实技术在实验教学中的应用价值

虚拟现实技术的实质就是模拟一种高度可控、逼近真实、多种感知一体化的环境与条件,使人们能够 亲临真实环境 并与之自由交互和真切感知,进而支持开展各种研究、训练活动[6 7]。1.1 符合现代实验教学理念,又是实验教学改革的

需要

虚拟现实技术支持下的实验教学活动,逼近真实的环境剌激与反馈,具有感性和冲击力,易于实现学习者的需要和动机的满足。虚拟现实技术创造或模拟的事物与环境真实而生动,并且多样化的自然交互途径

ISS N 1002-4956

CN11-2034/T

实 验 技 术 与 管 理

Ex perim ental Technology and M anagem ent

第27卷 第6期 2010年6月Vol.27 No.6 Ju n.2010

和会话手段,允许学习者在一个可自主控制的环境里自由活动和探索虚拟世界,可以获得对客观事物的各种感性或理性认识,有助于激发人的形象思维和研究性思维,从而深化概念和形成新的构想与创意,特别是分布交互式虚拟现实系统,能够实时支持学习者之间的协作与对抗,虚拟现实创设的环境符合人的心理感知特性。从心理学的角度讲,它有利于知识的迁移和应用,长于激发积极的情绪和动机,并使知识体系的准确架构和技能、能力的快速形成成为可能。

微波技术与天线实验是电子工程类专业学生学习知识和培养能力的重要环节。随着教学改革的深入和新的课程标准的实施,实验学时、实验项目以及实验要求都大大提高,而且每个实验小组的人数减少。因此,设备、经费、场地、器材和人员方面面临着很大的困难和压力。虚拟实验室建立在一个虚拟的环境上,能满足学生的实验预习、讲授、操作、实验等环节的需要,并具有学生自主学习、网上教学等功能。在网上开展虚拟实验教学突破了传统实验对时空和设备的限制,无论学生还是教师都可以自由、无顾虑地随时随地进入实验室,操作仪器、完成各种实验项目,大大减少对设备和实验耗材方面的投入。建立微波技术与天线虚拟实验室是对电子工程类实验的完善和补充,是实验教学改革的需要[8 9]。

1.2 符合科学性和经济性共存,是专业基础实验室建

设的需要

长期以来,教育的发展总是处于一种资金短缺的窘境,无法满足巨大的教学需求。特别是近几年来高校扩招、社会学习化和人口的自然变化等因素,都使实验教学的仪器、设备和实验设施等的投入处于被动状态,专业基础实验室尤甚。作为人类认知学习和相关能力发展的新工具,虚拟现实技术具有科学、形象、简易、安全、经济、实效、适应性强等优点,有力地支持实验教学走向规模化、最优化和人性化。最具现实意义的是基于网络的虚拟现实技术正成为主流。依托于各级各类宽带网络平台的公共建设和个人计算机的自然普及,网络虚拟现实重点在于软件建设,其投入方式属于 软投入 。它能够及时、有效地缓解学习者的压力,并满足他们对各种实验项目的需求,保证教学的顺利开展,而且能够较好地适应教学需求的波动,尽量避免社会资源的浪费。随着技术发展,虚拟现实技术必将更加富有科学性和实效性,实现起来也将更加简易和经济,教育界在教学理想与经济现实之间面临的矛盾与尴尬有望得到妥善解决。

1.3 有利于解决某些现实中的实验教学问题

虚拟现实用于实验教学能够弥补实验教学条件的

不足。在现实实验教学中,经常会遇到实验仪器设备、

实验场地等的限制,致使一些必要的实验活动无法开展。虚拟现实技术的引进,可以立足于有限的设备资金投入,更多地依靠软件和智慧,有针对性地设计、开展各种模拟实验或虚拟实验教学,让学生获得与真实实验一样的体验。虚拟现实技术还可以模拟显现那些在现实中存在,但在一般实验或教学环境下很难、甚至无法显现的事物与现象,从而丰富认识,加深理解,引导进一步的学习和探索。虚拟现实技术有利于打破空间、时间对教学的限制。例如:学生可以观察到金属波导内部电磁波的传播规律;也可以在空间看到天线的方向性图。通过虚拟实验环境的构建,学生就可以亲自操控各种实验活动,切身感受各种可能的过程与效果,使原来的不可能观察的实验现象得以实现。

2 实验室建设实践与探索

2.1 虚拟实验平台

虚拟实验系统允许用户按照自己的要求构造实验方案,并在虚拟实验环境中完成设计和验证结果。因此,必须开发具有很强通用性和交互性的软件,以便克服一般的基于课件的虚拟实验软件只能单纯演示实验和用户只能被动参与的缺陷[10]

。虚拟实验平台硬件体系结构采用服务器/客户端结构,如图1所示。

图1 虚拟实验平台硬件体系结构图

微波技术与天线课程的虚拟实验平台软件体系结构如图2所示。用户通过客户端设计微波传输线、微波谐振腔及天线等电磁结构,配合虚拟仪器完成虚拟实验方案的设计。客户端的仿真需求提交到服务器后,由服务器的电磁场数值计算软件包完成仿真,再将仿真结果返回到客户端,通过客户端的仿真结果可视化组件完成与用户的交互。用户交互界面采用Visual C++.net 及Dir ectX SDK 开发实现。不同客户端的仿真需求通过服务器的系统仿真调度器实现任务的调度。

2.2 虚拟实验设计

微波技术与天线虚拟实验室主要有微波测量线、微波元器件和天线系统3个虚拟实验模块组成。

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图2 虚拟实验平台软件体系结构图

2.2.1 微波测量线模块

微波测量线虚拟模块主要内容包括:微波测量线、电磁波的传播规律、大小驻波比的测量、阻抗测量及阻抗匹配技术等。这些实验的开设,增强了学生对电磁波的传播、长线理论和阻抗匹配技术内容的理解。

通过微波测量线实验,可以形象地设计出电磁场传播中电场和磁场的变化规律,可清楚看到波导中电磁波时空分布情况(图3是BJ 100波导TE 10模的电场空间分布),可以测出终端在短路、开路和接匹配负载3种状态下驻波比的大小。通过阻抗测量及阻抗匹配技术实验,可以掌握用测量线测量阻抗的方法,可以非常方便和形象地调配终端负载以达到阻抗匹配的目的。2.2.2 微波元器件模块

微波元器件虚拟模块主要包括谐振腔Q 值的测量、微波功率和衰减测量、定向耦合器特性测量和应用

等实验项目。

图3 BJ 100波导TE 10模电场空间分布图

通过谐振腔Q 值的测量实验,进一步加深对分布

参数的认识,可以采用功率传输法、功率发射法和示波器法测出谐振腔Q 值。根据测试的方法不同,进行测量误差分析,提高学生的实验水平和分析问题、解决问题的能力。通过微波功率和衰减测量实验,掌握用微波功率计测量微波功率的方法,可以设计出测量微波传输系统中每个元件的衰减大小,可以通过改变负载的大小和改变传输线上的工作状态,观察衰减的变化。通过定向耦合器特性测量和应用实验(如图4所示的匹配双T 特性实验),可以设计出各种定向耦合器、波导、同轴线、带状线、微带等类型,可以分别测量出耦合度、方向性、

输入驻波比和带宽范围等基本特性。

图4 匹配双T 的工作特性实验

2.2.3 天线系统模块

天线系统虚拟模块实验内容包括天线的立体辐射

图、E 面和H 面的方向性图、频带宽度和极化方式等,如图5所示。采用虚拟现实技术,通过软件设计,可以非常直观地得到天线的基本参数。这和传统的天线实验相比,实验效果有了根本改善,无形的方向性图、无形的极化方式以及各种天线不同条件下的基本参数都得到了非常直观显现,有利于培养学生创新意识和实践能力,为学生提供了开放性实验平台和个性化培养条件,实现因材施教。通过实验,加深学生的感性认识,加深对课本知识的理解,启发学生的创新意识。

3 结束语

虚拟实验室的实验环境、实验对象、实验过程是可创造、可重复、可再生的,与真实实验室相比,可以节省大量人力和财力,并能实现教学资源的充分共享,促进教学资源的开发与建设。

微波技术与天线虚拟实验室注重实验操作的交互性和实验结果的仿真性,学生可以全面了解电磁波在微波测量线中的传播规律,形象地再现波节点和波腹点的位置,完成驻波比、阻抗测量和阻抗匹配技术等实验,起到培养学生学习兴趣、提高学生的创新能力的作用。

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姜志森,等:基于虚拟现实技术的微波技术与天线课程实验教学实践与探索

图5 天线表面电流分布及方向图

虚拟现实技术潜力巨大,应用前景十分广泛,依托网络可完成微波技术与天线虚拟实验室提供的实验项目,突破了时间和空间的限制,为学生的自主学习、其他人员继续教育再学习提供了条件,为开展远程教学提供了平台。需要指出的是虚拟技术仅是逼真地模仿真实的实验过程,它只是给了一种获得间接经验的手段,起实验教学辅助作用,其本身并非就是实践,并不能完全取代真实的实践教学。采用 虚实结合 的实践教学模式为最佳选择。参考文献(References):

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(上接第84页

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图9 判决输出信号与输入信号波形对照

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