天线理论与技术课程设计.docx

天线理论与技术课程设计报告 课程名称 均匀直线阵 专 业 通信工程 班 级 班 学 号 姓 名 指导教师 2015年5月8日 一、实验目的：1. 了解阵列天线的波束形成原理写出方向图函数2. 运用MATLAB仿真阵列天线的方向图曲线3. 变换各参量观察曲线变化并分析参量间的关系二、实验环境：MATLAB8.0，WIN8.1系统三、实验原理：单个天线的方向性是有限的，为了加强天线的定向辐射能力，可以采用天线阵(Arrays)。天线阵就是将若干个单元天线按一定方式排列而成的天线系统。排列方式可以是直线阵、平面阵和立体阵。实际的天线阵多用相似元组成。所谓相似元，是指各阵元的类型、尺寸相同，架设方位相同。天线阵的辐射场是各单元天线辐射场的矢量和。只要调整好各单元天线辐射场之间的相位差，就可以得到所需要的、更强的方向性。1. 阵列天线：阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则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。阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵各单元辐射场的总和矢量和由于各单元的位置和馈电电流的振幅和相位均可以独立调整，这就使阵列天线具有各种不同的功能，这些功能是单个天线无法实现的。2. 方向图乘积原理：天线阵的合成方向图等于单元天线方向图与阵列因子的乘积。方向图乘积定理f(,)=f1(,)fa(,) （3-1）上式表明，天线阵的方向函数可以由两项相乘而得。第一项f1(,)称为元因子（Primary Pattern），它与单元天线的结构及架设方位有关；第二项fa(,)称为阵因子（Array Pattern），取决于天线之间的电流比以及相对位置，与单元天线无关。方向函数（或方向图）等于单元天线的方向函数（或方向图）与阵因子（或方向图）的乘积，这就是方向图乘积定理。已知对称振子以波腹电流归算的方向函数为： （3-2）将l=0.25代入式上式可得半波振子的方向函数为： （3-3）如果均匀直线阵的单元天线为半波阵子的话，此即为元因子。3. 均匀直线阵,就是所有单元天线结构相同，并且等间距、等幅激励而相位沿阵轴线呈依次等量递增或递减的直线阵。如下图所示,N个天线元沿y轴排列成一行，且相邻阵元之间的距离相等都为d，电流激励为In=In-1ej(n=2,3, :,N)，根据方向图乘积定理，均匀直线阵的方向函数等于单元天线的方向函数与直线阵阵因子的乘积。在实际应用中，不仅要让单元天线的最大辐射方向尽量与阵因子一致，而且单元天线多采用弱方向性天线，所以均匀直线阵的方向性调控主要通过调控阵因子来实现。因此本实验讨论主要针对阵因子，至于均匀直线天线阵的总方向图只要将阵因子再乘以单元天线的方向图就可以得到了。图4-1 均匀直线阵坐标图N元均匀直线阵的阵因子为： （3-4）此式是一等比数列求和，其值为： （3-5）归一化后为： （3-6）四、实验内容及步骤：第一题、N=20元均匀直线阵（边射状态）（1）给定各阵元间距为d=0.5，用Matlab画出阵因子函数（极坐标和直角坐标）。（2）理论计算和仿真验证方向图中最大辐射方向max、第一副瓣对应的角度位置m1和副瓣电平SLL、半功率主瓣宽度、零点主瓣宽度。（3）改变阵元数N、各阵元间距d，观察总结方向图的变化规律。clc,clearN=input(输入天线阵阵元数N= ); %输入线性图天线阵的振子个数d1=input(输入阵元间距d与波长lamda倍数= ); %输入振子间的间距倍数lamda=100; %精度d=d1*lamda;k=(2*pi/lamda); delta= -pi:0.01:pi; xi=0; %超前的相角w=xi+k*d.*cos(delta); %相邻阵元相位差ppt(1-5-13)FA=1/N*(abs(sin(N*(w./2)./sin(w./2); %ppt(1-5-16)subplot(1,2,1)plot(w,FA)xlabel(w)ylabel(FA)grid onsubplot(1,2,2)polar(delta,FA)w1=3/N; delta1=acosd(w1/2*d1) %第一副瓣极坐标SLL=abs(sin(N*w1*pi/2)/(N*sin(w1*pi/2);SLL=SLL2;SLL=10*log10(SLL) %第一副瓣电平，dB单位，耗尽损耗w0=1/N;delta0=acosd(w0/d1); two0=2*(90-delta0) %零点波束宽度N=20 ,d=0.5根据相位差=+kdcos=0+cos, 和归一化后的可求出m1= 87.85；SLL=-13.38dB; 零点主瓣宽度=11.48；max =90第二题、N=20元均匀直线阵（端射状态）（1）给定各阵元间距为d=0.5，用Matlab画出阵因子函数（极坐标和直角坐标）。（2）理论计算和仿真验证方向图中最大辐射方向max、第一副瓣对应的角度位置m1和副瓣电平SLL、半功率波束宽度、零点波束宽度。（3）改变阵元数N、各阵元间距d，观察总结方向图的变化规律。clc,clearN=input(输入天线阵阵元数N= ); %输入线性图天线阵的振子个数d1=input(输入阵元间距d与波长lamda倍数= ); %输入振子间的间距倍数lamda=100; %精度d=d1*lamda;k=(2*pi/lamda); delta= -pi:0.01:pi; xi=pi/2; %超前的相角w=xi+k*d.*cos(delta); %相邻阵元相位差ppt(1-5-13)FA=1/N*(abs(sin(N*(w./2)./sin(w./2); %ppt(1-5-16)subplot(1,2,1)plot(w,FA)xlabel(w)ylabel(FA)grid onsubplot(1,2,2)polar(delta,FA)w1=3/N;delta1=acosd(w1-1/2)/(2*d1) %第一副瓣极坐标SLL=abs(sin(N*w1*pi/2)/(N*sin(w1*pi/2); SLL=SLL2;SLL=10*log10(SLL) %第一副瓣电平w0=2/N;delta0=acosd(w0-1/2)/(2*d1);two0=2*(180-delta0) %零点波束宽度N=20 d=0.5根据相位差=+kdcos=+cos, 和归一化后的可求出m1= 110.49；SLL=-13.38dB; 零点主瓣宽度=132.84；max =120五、实验小结通过MATLAB编程，了解均匀直线阵的辐射特性，知道了熟悉影响天线阵辐射的各种因素及其产生的影响。从计算结果可以看出：振元间相位差为0时形成边射阵，最大辐射方向在垂直与阵轴的方向；改变振元间相位差并不能增加旁瓣的个数，只能改变波瓣的指向。通过实验数