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天线已随处可见,它已与我们的日常生活密切相关。
例如,收听无线电广播的收音机需要天线,电视机需要天线,手机也需要天线。
在一些建筑物、汽车、轮船、飞机上等都可以看见各种形式的天线。
收音机、电视机使用的天线一般是接收天线,广播电视台的天线则为发射天线。
而手机天线则收发共用,但须经过移动通信基站天线转收和转发。
实际上,一切无线电设备(包括无线电通讯、广播、电视、雷达、导航等系统)都是利用无线电波来进行工作的,而从几MHz的超长波到四十多GHz的毫米波段电磁波的发射和接收都要通过天线来实现。
天线是这样一个部件,作发射时,它将电路中的高频电流或馈电传输线上的导行波有效地转换成某种极化的空间电磁波,向规定的方向发射出去;
作接收时,则将来自空间特定方向的某种极化的电磁波有效地转换为电路中的高频电流或传输线上的导行波。
天线(antenna)是一种变换器,它把传输线上传播的导行波变换成在无介媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波,或者进行相反的变换。
在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。
无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统,凡是利用电磁波来传递信息的,都依靠天线来进行工作。
此外,在用电磁波传送能量方面,非信号的能量辐射也需要天线。
一般天线都具有可逆性,即同一副天线既可用作发射天线,也可用作接收天线。
同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。
本论文重点论述了使用和设计天线所必备的最基本原理和方法,不过多罗列个别天线的设计细节,重点论述各原理、方法的核心思想,主要结论,指出其局限性及发展动向。
天线实验是天线教学过程中一个非常重要的环节,但很多院校的天线实验开设不足,原因有三:
第一,天线测试场地要求较高,如天线的野外测试场面积要足够大,且没有树木、房屋等的遮挡,地面导电性能要好;
第二,天线的测试设备(比如天线微波暗室、矢量网络分析仪、频谱分析仪等)非常昂贵;
第三,天线的种类繁多,很多天线的制作要求较高,周期较长等。
这些困难大大制约了科研院所的天线实践教学环节的顺利开展。
掌握天线的基本理论知识,并具备这些知识的应用能力,是通信工程专业及其相关专业学生所必须需拥有的。
天线理论是建立于麦克斯韦方程及其边界条件之上的,天线问题的求解通常要涉及高深的数学理论知识,因此显得比较抽象。
此外天线课程与实际工程应用联系十分紧密,它是一门实践性很强的课程,在天线教学过程中,必须采用理论与实践相结合的手段,才能取得良好的教学效果,然而目前很多科研院校的天线课程教学还是采取课堂讲授的传统授课方式,缺乏与之配套的实验教学环节,学生缺少实践机会,造成大部分学生对天线理论知识理解困难,并且缺乏实践应用能力。
1面天线的简介
面天线是指具有初级馈源并由反射面形成次级辐射场的天线。
喇叭天线、旋转抛物面天线、卡塞格伦天线和喇叭天线等均属面天线。
1.1面天线基本原理
面天线是参照光学原理导出的天线,与光学反射镜相似,也是利用反射面的聚焦作用形成平面波束。
由焦点发出的射线经抛物面反射后到达与轴线垂直的任一平面(如口径平面)的波程相等且为常数,这说明从抛物面各点的反射线到达任一垂直平面时具有等波程和同相位的特性,这是一切面天线的基础。
因而,当馈源或等效馈源的相位中心置于反射面焦点,以喇叭或副反射面辐射的球面波激励主反射面,使主反射面的口径场辐射同相位的平面波,从而在反射面轴向出现最大的能量集中,形成窄波束。
抛物面直径D和工作波长λ之比越大,波束越窄,其主瓣半功率点宽度为
能量集中的程度可用天线增益表示,天线增益和D/λ平方成正比,天线直径越大,增益越高。
反射面口径的电场分布是决定天线辐射方向性图的重要因素,同相等幅分布时能得到最大增益,但副瓣辐射也大,天线面边缘的电场强度低,副瓣辐射才可能小。
为了得到低副瓣电平常采用同相位而振幅按一定函数呈内高外低分布的办法,以满足对卫星通信地球站天线所要求的低副瓣分布函数的设计,可以用反射面曲线修正技术达到。
1.2喇叭天线
1.2.1喇叭天线的原理
对喇叭天线来说,所有的喇叭天线都是先由一激励小天线在波导和喇叭内部产生电磁场,再经喇叭的开口面向外辐射电磁能量。
在波导和喇叭内部产生的电磁场称为内场,在喇叭外部空间辐射的电磁场称为外场。
喇叭天线开口波导的端口是一个辐射的口径面,一般要尽量减少高次模的传输,这样波导横截面的尺寸大小就会受到限制,同时波导开口端的口径面尺寸大小也会受到限制,不利于天线方向性的提高。
一般情况下,天线反射系数越小越好,因此就需要喇叭天线的波导横截面要尽可能大。
在设计天线时,为了抑制高次模的产生不可以把波导横截面做得太大,但是为了使波导口径面有很强的方向性和很小的反射系数,就必须要求波导口径面尺寸要大一些。
为了解决这个矛盾,需要在波导横截面和口径面之间安装一段过度装置,它是由波导的横截面逐渐扩展成为较大的口径面组成的。
喇叭天线的工作原理是:
首先信号进入喇叭内的电磁场,喇叭内的电磁场分布从喇叭颈部到开口处逐渐变形,然后通过波模的激励、传输和控制、利用到达口面形成口面场,口面场向空间辐射,在辐射区干涉迭加,形成辐射场在空间的分布——幅度方向图、相位方向图和各种辐射性能。
通常情况下,在分析喇叭天线的工作原理时,一般将喇叭天线分为三个部分来研究:
第一部分,喇叭天线的激励部分——输入端和输出端;
第二部分,波模的激励和传输段;
第三部分,喇叭天线的辐射端——口面。
研究喇叭天线的内场时,主要研究波模的激发、形式、含量以及传输、控制、利用等;
研究喇叭天线的辐射场时,主要研究天线方向图、方向性系数、波瓣宽度、天线增益、天线效率、天线输入阻抗等参数。
喇叭天线具有的很多优点,可以决定喇叭天线的功能。
喇叭天线能够获得很强的主瓣,因而它能够在比波导更大的口径上产生均匀的相位波前,获得较高的定向性,同时喇叭天线适合于较宽的频带。
喇叭天线主要有两个方面的用途:
一方面可以做各种复杂天线的馈源,另一方面能够做独立的天线使用,即喇叭天线。
1.2.2喇叭天线的基本结构
喇叭天线是一种应用广泛的微波天线,其优点是结构简单,频带宽,功率容量大,调整与使用方便。
合理地选择喇叭天线尺寸,可以获得很好的辐射特性、相当尖锐的主瓣、较小副瓣和较高的增益。
因此,喇叭天线应用非常广泛,它是一种常见的天线增益测试用标准天线。
喇叭天线就其结构来讲可以看成由两大部分构成:
一是波导管部分,横截面有矩形,也有圆形;
二是真正的喇叭天线部分。
波导部分相当于线天线中的馈线,是供给喇叭天线信号和能量的部分。
对工作于厘米波或毫米波段内的面天线,如采用线状馈线,将因馈线自身的辐射损耗太大不能把能量传送到面天线上,所以,必须采用自身屏蔽效果很好的波导管作馈线。
普通喇叭天线结构原理图如1-1所示。
图1-1普通喇叭天线结构原理图
图1-1中所示的是四种主要类型的喇叭天线,(a)~(c)是由激励TE10模的矩形波导过渡形成的,(d)是由圆形波导过渡形成的,它们都是由波导壁逐渐扩张而构成的。
如果矩形波导的四壁中只有某一对边逐渐张开,而另一对边保持不变,这样形成的喇叭天线称为扇形喇叭天线。
其中,H面扇形喇叭天线是通过保持矩形波导窄边尺寸不变,逐渐张开波导宽边而形成的,如图1-1(a)所示;
E面扇形喇叭天线是通过保持矩形波导的宽边尺寸不变,逐渐张开波导窄边而形成的,如图1-1(b)所示;
如果将矩形波导的四壁都逐渐张开,就形成了角锥形喇叭天线,如图1-1(c)所示。
如果喇叭天线的四个棱交汇于一点称为尖顶角锥喇叭天线,如果四个棱相交于两点则称为楔形喇叭;
圆形喇叭是由圆波导半径逐渐张开而形成的,如图1-1(d)所示。
1.2.3喇叭天线相关参数分析
1.天线增益
天线的增益
:
在同一接收点、相同的电场强度条件下,没有方向性天线的输入功率
与有方向性天线的输入功率
之比,它的表达式为:
对于任意天线,增益为天线效率
与天线的方向性因子D的乘积。
不同的天线有不同的增益,天线的增益与天线口径大小、天线效率和工作波长等参数有关。
对于矩形喇叭天线来说,
,即
。
2.天线输入阻抗
喇叭天线阻抗为波导与喇叭连接处的阻抗。
一般情况下,喇叭天线的输入阻抗为天线馈电端口电压与电流之比。
通常输入阻抗包含输入电阻和输入电抗两种,其中输入电阻包括辐射电阻和损耗电阻,输入电抗要尽量避免。
研究一个喇叭天线时,重要的一点是要使天线的输入阻抗与标准馈线的特性阻抗相匹配,一般用驻波比来表示喇叭与波导的匹配。
引起阻抗失配的原因有两个方面:
一是喇叭与波导连接处的反射,二是喇叭口面上的反射,这两个阻抗失配产生的反射强弱与喇叭的张角、长度和口面尺寸有关。
天线的输入阻抗是天线输入端的阻抗,它是一个以功率关系为基础的等效阻抗。
一般情况下,输入阻抗的大小受天线附近物体和其他天线的影响,为了便于分析,可以认为天线与外界隔离,不受外界物体和别的天线的影响。
输入阻抗可以表示为:
其中,
代表输入阻抗,用来表示功率的损耗;
代表输入电抗,用来表示天线在近场的存储功率。
3.天线效率
效率
在天线系统中,总会存在一些不必要的损耗,因此实际辐射到空间的功率要比发射机传送到天线的功率要小一些,这样就存在一个天线工作效率的问题。
为了精确分析天线接收信号情况,定义天线的效率表达式为:
表示天线的辐射功率,
表示天线的损耗功率。
1.3旋转抛物面天线
1.3.1旋转抛物面天线的原理
抛物面具有如下重要的几何光学特性:
由焦点发出的各光线经抛物面反射,其反射线都平行于z轴;
反之,当平行光线沿z轴入射时,则被抛物面反射而聚焦于F点。
其原因是,由焦点发出的各光线经抛物面反射后到达口径面的行程相等(这一结论可利用抛物线的以下性质来证明:
从抛物线任一点到焦点的距离等于该点到准线的距离)。
微波的传播特性与光相似,因此,位于焦点F的馈源所辐射的电磁波经抛物面反射后,在抛物面口径上得到同相波阵面,使电磁波沿天线轴向传播。
如果抛物面口径尺寸为无限大,那么抛物面就把球面波变为理想平面波,能量只沿z轴正方向传播,其它方向辐射为零。
但实际上抛物面的口径是有限的,这时天线的辐射是波源发出的电磁波通过口径面的绕射,它类似于透过屏上小孔的绕射,因而得到的是与口径大小及口径场分布有关的窄波波束。
1.3.2旋转抛物面天线的基本结构
所谓旋转抛物面是由抛物线绕其对称轴旋转而构成的抛物面,抛物线必须是按其定义所形成的轨迹曲线。
该天线是应用最广泛的天线之一,它由馈源和反射面组成。
天线的反射面由形状为旋转抛物面的导体表面或导线栅格网构成,馈源是放置在抛物面焦点上的具有弱方向性的初级照射器,它可以是单个振子或振子阵、单喇叭或多喇叭、开槽天线等。
利用抛物面的几何特性,抛物面天线可以把方向性较弱的初级辐射器的辐射反射为方向性较强的辐射。
常用的抛物面天线从结构上看,主要由两部分组成:
照射器,由一些弱方向性天线来担当,想短电对称振子天线,喇叭天线。
作用:
是把高频电流转换为电磁波并投射到抛物面上。
抛物面,它一般有导电性能较好的铝合金板构成,其厚度为1.5-3(mm),或者用玻璃钢构成主抛物面,然后在其内表面粘贴一层金属网或金属栅栏。
网孔的最大值要求小于
,过大将造成对电磁波的漏射现象,影响天线的正常工作性能。
构成天线辐射场方向性的主要部分。
图1-2普通抛物面天线的结构图以及几何关系图
1.3.3旋转抛物面天线相关参数分析
1.天线增益
增益系数(Gain)表示了天线的定向收益程度。
增益系数的定义是:
在同一距离及相同输入功率的条件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度
(或场强
的平方)和理想无方向性天线(理想点源)的辐射功率密度
的平方)之比,记为G。
用公式表示如下:
式中
、
分别为实际天线和理想无方向性天线的输入功率。
理想无方向性天线本身的增益系数为1。
2.方向系数
方向系数的定义是:
在同一距离及相同辐射功率的条件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度
的平方)和无方向性天线(点源)的辐射功率密度
的平方)之比,记为D。
分别为实际天线和无方向性天线的辐射功率。
无方向性天线本身的方向系数为1。
一般来说,载有高频电流的天线导体及其绝缘介质都会产生损耗,因此输入天线的实功率并不能全部地转换成电磁波能量。
可以用天线效率来表示这种能量转换的有效程度。
天线效率定义为天线辐射功率
与输入功率
之比,记为
辐射功率与辐射电阻之间的联系公式为
2Matlab仿真软件简介
2.1MATLAB简介
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
MATLAB是矩阵实验室(MatrixLaboratory)的简称,和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。
它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。
MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等,主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
MATLAB的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多,并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。
在新的版本中也加入了对C,FORTRAN,C++,JAVA的支持。
可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用,此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序,用户可以直接进行下载就可以用。
2.2MATLAB发展历程
20世纪70年代,美国新墨西哥大学计算机科学系主任CleveMoler为了减轻学生编程的负担,用FORTRAN编写了最早的MATLAB。
1984年由Little、Moler、SteveBangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。
到20世纪90年代,MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。
2.3MATLAB应用
MATLAB产品族可以用来进行以下各种工作:
(1)数值分析;
(2)数值和符号计算;
(3)工程与科学绘图;
(4)控制系统的设计与仿真;
(5)数字图像处理技术;
(6)数字信号处理技术;
(7)通讯系统设计与仿真;
(8)财务与金融工程。
MATLAB的应用范围非常广,包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。
附加的工具箱(单独提供的专用MATLAB函数集)扩展了MATLAB环境,以解决这些应用领域内特定类型的问题。
2.4Matlab的优势和特点
1、MATLAB特点:
(1)此高级语言可用于技术计算;
(2)此开发环境可对代码、文件和数据进行管理;
(3)交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题;
(4)数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等;
(5)二维和三维图形函数可用于可视化数据;
(6)各种工具可用于构建自定义的图形用户界面;
(7)各种函数可将基于MATLAB的算法与外部应用程序和语言(如C、C++、Fortran、Java、COM以及MicrosoftExcel)集成。
2、MATLAB的优势:
(1)友好的工作平台和编程环境
(2)简单易用的程序语言
(3)强大的科学计算机数据处理能力:
(4)出色的图形处理功能:
(5)应用广泛的模块集合工具箱
(6)实用的程序接口和发布平台
(7)应用软件开发(包括用户界面)
3面天线的设计与建模
3.1喇叭天线的设计与建模
针对矩形喇叭天线,根据天线辐射特性公式,代入天线装置的具体数值,利用Matlab来对天线的辐射特性进行仿真,从而得出矩形喇叭天线的特性。
根据方向图公式:
3.1.1直角坐标系下矩形喇叭天线的特性仿真
直角坐标系下矩形喇叭天线H平面方向图的具体仿真程序如下:
t=-3:
0.001:
3;
y1=(1+cos(t)).*cos((pi*sin(t))/2)./((cos(t)).^2);
y2=(1+cos(t)).*cos((pi*sin(t)))./(4*(cos(t)).^2-3);
y3=(1+cos(t)).*cos((2*pi*sin(t)))./(16*(cos(t)).^2-15);
y4=(1+cos(t)).*cos((3*pi*sin(t))/2)./(9*(cos(t)).^2-8);
plot(t,y1,t,y2,t,y3,t,y4);
由外到内
依次为
仿真图如下:
图3-1喇叭天线H面方向图
由图3-1可以看出,矩形喇叭天线H平面方向图遵循相位平方律分布,并且幅度余弦慢慢削减。
直角坐标系下矩形喇叭天线E平面方向图的具体仿真程序如下:
y1=(1+cos(t)).*sinc(1/4*pi*sin(t));
y2=(1+cos(t)).*sinc(2*pi*sin(t));
y3=(1+cos(t)).*sinc(1/2*pi*sin(t));
y4=(1+cos(t)).*sinc(pi*sin(t));
plot(t,y1,t,y2,t,y3,t,y4);
利用以上Matlab程序可以得出直角坐标系下矩形喇叭天线E平面方向图与喇叭口面宽度D的关系图,E面方向图如图3-2:
由外到内D依次为:
图3-2喇叭天线E面方向图
由图3-2可以看出,E平面方向图遵循相位和幅度均匀分布。
矩形喇叭天线装置的具体数值:
天线孔径宽度D=6.1m,喇叭长度为
=15m,测量波段为λ=7.35cm,频率为f=4080MHZ,利用plot命令可以得出矩形喇叭天线的直角坐标系下E面和H面的方向图。
它的Matlab仿真程序如下:
y1=(1+cos(t)).*sinc(6.1*pi*sin(t)/7.35);
plot(t,y1)
holdon
y2=(1+cos(t)).*cos((15*pi*sin(t)/7.35))./(((2*15*cos(t)/7.35).^2)-(2*15/7.35).^2+1);
plot(t,y2)
holdoff
图3-3矩形喇叭天线的方向图曲线
由图3-3中可以看出,对于矩形喇叭天线来说,不管是H平面还是E平面,它都具有极强的方向性,主瓣处于峰值,副瓣的值基本上在0值上下波动,副瓣和主瓣的值相差很大,因此相对于主瓣来说,副瓣对天线噪声的影响微乎其微,可以忽略。
3.1.2极坐标系下矩形喇叭天线的特性仿真
在得到矩形喇叭天线直角坐标系下方向图同时,为了更精确地分析矩形喇叭天线的辐射特性,应该在极坐标方式下对方向图进行仿真。
极坐标图形具有形象、直观等优点。
假设喇叭天线口径宽D=
,喇叭天线长度
,极坐标系下矩形喇叭天线H平面和E平面的方向图的Matlab仿真程序如下:
t=0:
pi/100:
2*pi;
y1=(1+cos(t)).*sinc(pi*sin(t));
subplot(1,2,1);
polar(t,y1)
y2=(1+cos(t)).*cos((2*pi*sin(t)))./(((4*cos(t)/7.35).^2)-4^2+1);
subplot(1,2,2);
polar(t,y2)
图3-4矩形喇叭天线H面和E面方向图
一般情况下,主瓣宽度的大小可以等同为天线波束在空间的覆盖范围。
主瓣宽度愈窄,方向图就越尖锐,天线辐射能量也就越集中,因此天线的接收能力和方向性就愈强。
从图3-4可以很容易看出最大辐射方向和最小辐射方向,主瓣的覆盖范围远远小于背瓣和副瓣的覆盖范围。
因此相对于接收方向的信号强度,背瓣和副瓣的信号强度很小,可以忽略。
代入矩形喇叭天线的数值:
天线孔径宽度D=6.1m,喇叭长度
=15m,测量波段
=7.35cm,可以得出矩形喇叭天线H平面在极坐标下的方向图,Matlab仿真程序如下:
y1=(1+cos(t)).*cos((15*pi*sin(t)/7.35))./(((2*15*cos(t)/7.35).^2)-(2*15/7.35).^2+1);
图3-5矩形喇叭天线H平面方向图
极坐标下矩形喇叭天线E平面在极坐标下的方向图,Matlab仿真程序如下:
y2=(1+cos(t)).*sinc(pi*6.1*sin(t)/7.35);
图3-6矩形喇叭天线E平面方向图
3.2旋转抛物面天线的设计与建模
馈源(Feeds)是抛物面天线的基本组成部分,它的电性能和结构对天线有很大的影响。
为了保证天线性能良好,对馈源有以下基本要求:
(1)馈源应有确定的相位中心,并且此相位中心置于抛物面的焦点,以使口径上得到等相位分布。
(2)馈源方向图的形状应尽量符合最佳照射,同时副瓣和后瓣尽量小,因为它们会使得天线的增益下降,副瓣电平抬高。
(3)馈源应有较小的体积,以减少其对抛物面的口面的遮挡。
(4)馈源应具有一定的带宽,因为抛物面天线的带宽主要取决于馈源的带宽。
馈源的形式很多,所有弱方向性天线都可作抛物面天线的馈源。
馈源的设计是抛物面天线设计的核心问题。
现在的通信体制多样化,所以对馈源的要求也不尽相同,例如超宽频带、双极化以及双波束等等,高效率的馈源势必会有效地提高抛物面天线的整体性能。
由于在多数情况下,馈源的方向函数近似地表示为下列形式:
在表达式建立数学模型,从表达式可以看出与n的大小有关,为了计算容易,取n为2的整数倍,如2,4,6,8,10等等。
3.2.1直角坐标系下旋转抛物面天线的特性仿真
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