Виртуальная радиофизическая лаборатория. Часть 1. Модели измерительных приборов

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное 
учреждение высшего образования 
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
С. А. Вяткина
Д. С. Губский
И. Н. Иванова
С. В. Крутиев
Виртуальная радиофизическая лаборатория
Часть 1
Модели измерительных приборов
Учебное пособие
Ростов-на-Дону – Таганрог
Издательство Южного федерального университета
2024

УДК	004+537.86(075.8)
ББК	16+22.336я73
	
В52
Печатается по решению кафедры прикладной электродинамики и 
компьютерного моделирования физического факультета Южного 
федерального университета (протокол № 21 от 11 июня 2024 г.)
Рецензенты:
Заведующий кафедрой радиофизики физического факультета  
Южного федерального университета, доктор физико-математических 
наук, профессор Заргано Геннадий Филиппович;
доцент кафедры «Связь на железнодорожном транспорте»  
Ростовского государственного университета путей сообщения,  
Ячменов Алексей Александрович
Вяткина, С. А.
Виртуальная радиофизическая лаборатория : учебное пособие / С. А. Вяткина, Д. С. Губский, И. Н. Иванова, С. В. Крутиев ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; 
Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 
2024. 
ISBN 978-5-9275-4819-4
Часть 1. Модели измерительных приборов – 2024. – 122 с.
ISBN 978-5-9275-4820-0 (Ч. 1)
Учебное пособие «Виртуальная радиофизическая лаборатория. Часть  1. 
Модели измерительных приборов» предназначено для ознакомления с виртуальными моделями реальных измерительных приборов и изучаемых 
устройств. В пособии изложен теоретический материал по изучаемым устройствам СВЧ диапазона и описаны компьютерные модели устройств, включенных в состав виртуальной лаборатории. 
Данное учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по 
направлениям подготовки 03.03.03 «Радиофизика» и 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», изучающих устройства СВЧ в 
различных учебных курсах и выполняющих лабораторные работы с использованием виртуальной радиофизической лаборатории.
Пользуясь случаем, авторы выражают свою благодарность всем сотрудникам Южного федерального университета, принимавшим участие в разработке 
и написании данного пособия. Особую благодарность авторы выражают кандидатам физико-математических наук Лонкиной Д.В., Нойкину Ю.М., а также Вострикову В.С., оказавшему помощь в описании моделей приборов.
В52
УДК 004+537.86(075.8)
ББК 16+22.336я73
© Южный федеральный университет, 2024
© Вяткина С. А., Губский Д. С., Иванова И. Н., 
Крутиев С. В.
© Оформление. Макет. Издательство 
Южного федерального университета, 2024
ISBN 978-5-9275-4820-0 (Ч. 1)
ISBN 978-5-9275-4819-4

Содержание
Введение............................................................................. 5
1. Концепция виртуальной лаборатории................................. 8
2. Программный комплекс виртуальной лаборатории............ 13
3. Компьютерная модель векторного анализатора цепей.........18
3.1.	 Принцип работы векторного анализатора цепей .......... 19
3.2.	 Компьютерная модель прибора ZVA-40  
Rohde&Schwarz.........................................................25
3.2.1.	 Интерфейс и управление компьютерной моделью... 31
3.2.2.	 Основное меню, используемое в работе.................. 33
3.2.3.	 Основные режимы работы................................... 35
3.2.4.	 Пример использования........................................44
3.3.	 Компьютерная модель прибора E8363B PNA  
Network Analyzer Keysight Technologies ......................47
3.3.1.	 Интерфейс и управление компьютерной  
моделью............................................................ 50
3.3.2.	 Основное меню, используемое в работе.................. 51
3.3.3.	 Основные режимы работы................................... 53
3.4.	 Пример реализации виртуальной  
лабораторной работы................................................ 60
4. Компьютерная модель анализатора спектра...................... 63
4.1.	 Принцип работы компьютерной модели ......................64
4.2.	 Компьютерная модель анализатора спектра................. 67
4.2.1.	 Интерфейс и управление компьютерной  
моделью............................................................ 71
4.3.	 Пример виртуальной лабораторной работы...................78
5. Создание моделей новых устройств СВЧ............................82
5.1.	 Модели фильтров......................................................85
5.1.1.	 Основные понятия...............................................85
5.1.2.	 Моделирование СВЧ фильтров..............................88

5.1.3.	 Создание моделей СВЧ фильтров со сложной  
формой поперечного сечения............................... 91
5.1.4. Модели изучаемых фильтров................................ 99
5.2. Модели микрополосковых устройств..........................103
5.2.1. Создание моделей СВЧ устройств.........................104
5.2.2. Изучаемые модели микрополосковых устройств.....108
Список литературы............................................................113
Обозначения и сокращения................................................117
Приложение 1. Особенности работы с программой...............118

Введение
При подготовке высококвалифицированных специалистов 
в учебном процессе должны использоваться современные измерительные приборы и устройства. Такие лабораторные установки, как правило, имеют очень высокую стоимость, а также 
практически отсутствуют учебные аналоги передовых научных 
разработок в области современных СВЧ-устройств. Кроме этого, 
в последнее время в сфере высшего образования все большую популярность набирает дистанционное обучение. Данный вид обучения имеет определенные преимущества, но для его реализации 
необходимо создание лабораторных практикумов, выполняемых 
дистанционно, а также специализированное программное обеспечение. Необходимо отметить, что интерактивные лаборатории широко используются в университетах разных стран. Применение лабораторий с удаленным доступом в учебном процессе 
позволило решить проблемы использования дорогостоящих лабораторных установок, а с помощью виртуальных лабораторий 
решаются проблемы нехватки помещений и практически одновременного доступа к «экспериментальным» установкам для 
всех студентов.
Активное развитие данного направления привело к появлению 
большого количества работ, посвященных созданию виртуальных 
лабораторных работ [1-5].
Авторами большинства известных работ в основном уделялось 
внимание созданию лабораторных работ, допускающих компьютерное моделирование различных процессов и их дистанционное 
выполнение с помощью использования современных интернеттехнологий. Это позволяет создавать лабораторные практикумы, 
лабораторные стенды с удаленным доступом и проводить научные 
исследования на сложном оборудовании. 
Применение современных интернет-технологий позволяет создавать лабораторные практикумы с удаленным доступом и использованием последних достижений в облачных технологиях, в том 
числе и с элементами виртуальной реальности. Основными преимуществами использования облачных сервисов являются значительная экономия на стоимости IT-инфраструктуры, занимаемых 
площадях и свободное (произвольное) время выполнения лабораторной работы.

В литературе особое внимание уделяется вопросам подготовки специалистов с помощью компьютерных лабораторных работ, рассматриваются вопросы разработки учебно-лабораторных 
стендов и виртуальных лабораторных работ [1, 6]. Созданные 
учебно-лабораторные стенды и виртуальные лабораторные работы используются при изучении термодинамики, биохимической 
инженерии, робототехники и многопроцессорных систем. Предлагаемые работы предназначены для полной или частичной замены 
реальных лабораторных работ. 
Многие авторы отмечают важную роль виртуальных лабораторий в инженерном образовании [7–9], а также показывают преимущества их использования в качестве интерактивных учебных 
пособий.
При этом необходимо отметить, что компьютерное моделирование находит все более широкое применение при изучении физики, 
в том числе и в технических вузах, где данный предмет является 
основным. 
В настоящее время при разработке виртуальных лабораторных 
работ широко используются различные пакеты моделирования и 
языки программирования [10–13]. Очень часто используется среда программирования NI LabVIEW или создаются приложения с 
веб-интерфейсом на языке JavaScript. Некоторые авторы использовали математический пакет MatLab. Для создания виртуальных 
лабораторий применяются также технологии виртуальных миров. 
Основной областью применения описанных работ является обучение студентов инженерных и естественно-научных направлений. 
Проведенный анализ существующих систем показал, что количество работ, посвященных вопросам моделирования задач радиофизики, невелико [14–22]. Хотя в работах и моделируется наличие 
различных измерительных приборов, их внешний вид сохраняет 
лишь концептуальное сходство с реальными устройствами. 
Именно это и является одним из существенных недостатков: 
когда пользовательский интерфейс компьютерной модели измерительного прибора обладает лишь концептуальным сходством с 
реальным аналогом или вообще не имеет такового. Так, например, 
в одной лабораторной работе СВЧ-генератор имеет два элемента 
управления типа «полоса прокрутки» (scrollbar), с помощью которых задается частота и амплитуда сигнала. Текущие значения 
частоты и уровня сигнала отображаются в соответствующих тек

стовых метках. Такие лабораторные работы допускают изучение 
моделируемых процессов и характеристик устройств, но не дают 
пользователю возможности получить практические навыки по работе на современном высокотехнологичном и дорогостоящем оборудовании.
Необходимо отметить, что в большинстве случаев, несмотря на 
то, что создаваемые лабораторные работы корректно описывают все 
необходимые процессы, внешний вид моделируемых измерительных приборов сохраняет лишь концептуальное сходство с реальными устройствами. Такие модели не могут дать практических навыков работы с реальным оборудованием, так как в первую очередь 
рассчитаны на глубокий и точный анализ физических явлений, а 
не на обучение принципам работы с конкретными приборами. 
Поэтому создание виртуальных лабораторных работ, одинаково нацеленных как на исследование физики наблюдаемых процессов, так и на знакомство обучаемого с основами использования 
лабораторного оборудования, является актуальным и востребованным. При этом моделируемые приборы и устройства должны 
иметь «внешний» вид полностью идентичный своим «реальным» 
аналогам и обеспечивать доступ к «реальным» органам управления. Также немаловажным является формирование на первых 
этапах обучения представления о спектре возможностей измерительных приборов, о различных их модификациях и об использовании элементов управления.
В данном учебном пособии описан процесс создания компьютерных моделей современных измерительных приборов и устройств с 
реалистичным интерфейсом и показано их объединение в виртуальную лабораторию. Созданная лаборатория допускает легкую 
интеграцию новых моделей устройств и измерительных приборов. В пособии также приведены примеры создания лабораторных работ и описаны предъявляемые требования к моделям СВЧустройств.

1. Концепция виртуальной лаборатории
Рассмотрим способ компьютерного моделирования измерительных приборов и специальных устройств, позволяющий создавать 
легко модернизируемую и расширяемую виртуальную лабораторию. Данная лаборатория должна позволять не только изучать 
специальные устройства СВЧ и КВЧ диапазонов, но и получать 
навыки по работе с современным измерительным оборудованием. 
Реальные лабораторные работы представляют собой набор приборов и устройств, соединенных между собой определенным образом. Каждый прибор или изучаемое устройство обладает набором входных и выходных сигналов, с помощью которых они могут 
подключаться друг к другу и передавать необходимую «информацию». При этом каждый из них выполняет еще ряд определенных 
функций. Например, векторный анализатор цепей предназначен 
для измерения S-параметров подключенного к его портам устройства. Через порт 1 векторного анализатора цепей на вход изучаемого устройства подается сигнал определенного частотного диапазона, который, пройдя через устройство, попадает на порт 2 
анализатора. При этом определенный частотный отклик отображается на экране векторного анализатора в зависимости от характеристик устройства. При этом векторный анализатор цепей 
выполняет определенные действия: преобразовывает входные сигналы и, в зависимости от выбранного режима отображения (измерения) данных, осуществляет их визуализацию, т. е. выполняет 
какую-то функцию. Такими же функциями и наборами сигналов 
обладают и изучаемые устройства (например, на вход фильтра поступает сигнал определенной частоты и мощности и преобразуется 
во выходной сигнал в соответствии с характеристикой (функцией) 
фильтра).
Поэтому в основу разработанной концепции положена идея 
описания приборов и устройств с помощью набора входных и выходных сигналов и выполняемых функций. Далее при построении 
виртуальной лабораторной работы должно осуществляться соединение входных и выходных сигналов измерительных приборов и 
устройств между собой, аналогично тому, как это происходит при 
создании реальной лабораторной работы.
Поэтому в разработанной концепции любой прибор или изучаемое устройство представляется как независимый модуль, обла

дающий набором входных и выходных сигналов и определенным 
функционалом, осуществляющим преобразование этих сигналов. 
Использование модульного принципа построения оказывается 
очень удобным при дальнейшей модернизации или расширении 
создаваемой лаборатории.
При таком подходе задача сводится к построению компьютерных моделей измерительных приборов, обладающих набором 
входных и выходных сигналов и определенными функциями. При 
этом могут использоваться ранее созданные абстрактные модели 
приборов, которые наделяются конкретными свойствами, и осуществляется их привязка к пользовательскому интерфейсу, который включает в себя, в первую очередь, внешний вид реальных 
приборов и устройств, являясь на самом деле их цифровой фотографией.
Для описания приборов и устройств создан абстрактный метод «функция», описывающий выполнение определенных действий над входными сигналами на основе собственных параметров 
(рис. 1.1).
Рис. 1.1. Устройство сигналов и функций
Связь между функциями в общем случае осуществляется по 
типу "многие ко многим". При этом функция не выполняет никаких действий до тех пор, пока ей не будет сообщена информация о 
всех необходимых для ее работы входных сигналах. Любой входной сигнал устройства, в отличие от выходных, является указателем на выходной сигнал другого устройства. Что позволяет при 
построении сложных приборов устанавливать соответствие между входными сигналами устройства-приемника и выходными сиг

налами устройства-источника. Таким образом, возможно построение цепочек и деревьев функций, где первые звенья независимы, 
а последующие рекурсивно зависят от всех предыдущих. Это позволяет создавать сколь угодно разветвленные и сложные по конфигурации объекты.
При таком подходе любое изучаемое устройство, измерительный прибор в представлении программы могут быть представлены 
в виде черного ящика (рис. 1.2) с определенным набором свойств 
(тип устройства, входные и выходные сигналы, выполняемые преобразования и т. д.) и заданным поведением по отношению к другим устройствам. Способ, которым значения входных сигналов 
передаются выходным сигналам, зависит исключительно от конкретных реализаций устройств.
Рис. 1.2. Представление модели устройства в виде «черного ящика»
При компоновке устройств в единую лабораторную установку устанавливается соответствие между входными сигналами устройства-приемника и выходными сигналами устройстваисточника. Таким образом, любой входной сигнал устройства, 
в отличие от выходных, соединяется с выходным сигналом другого устройства, что позволяет произвольным образом подключать устройства между собой. Способ, которым выходные значения входных сигналов передаются выходным сигналам, зависит 
исключительно от конкретных реализаций устройств. Это сое