电磁兼容实验报告12.docx
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电磁兼容实验报告12.docx
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电磁兼容实验报告12
电磁兼容实验报告
学院:
信息科学与工程学院
班级:
姓名:
学号:
一、实验目的:
通过MATLAB编程,熟悉电基本阵子和对称阵子的辐射特性,了解影响对称阵子辐射的因素及其变化对辐射造成的影响
二、实验环境:
MATLAB软件
三、实验原理:
1.电基本振子的辐射
电基本振子(ElectricShortDipole)又称电流元,它是指一段理想的高频电流直导线,其长度l远小于波长λ,其半径a远小于l,同时振子沿线的电流I处处等幅同相。
用这样的电流元可以构
成实际的更复杂的天线,因而电基本振子的辐射特性是研究更复杂天线辐射特性的基础。
图3-1电基本振子的坐标
电基本振子在无限大自由空间中场强的表达式为:
(2-1)
电基本振子的辐射场可以分为近区场和远区场。
如果kr<<1即(r<<λ/(2π))的区域称为近区,近区场的另一个重要特点是电场和磁场之间存在π/2的相位差,于是坡印廷矢量的平均值为0,能量在电场和磁场以及场与源之间交换而没有辐射,所以近区场也称为感应场,本实验不涉及。
本实验计算的远区场kr>>1(即r>>λ/(2π)的区域称为远区),在此区域内,电基本振子满足条件:
则远区场表达式为:
(2-2)
可见场强只有两个相位相同的分量(Eθ,Hφ)。
根据方向函数可定义:
(2-3)
可得电基本振子的方向函数为:
(2-4)
根据归一化方向函数定义:
(2-5)
可得电基本阵子归一化方向函数为:
F(θ,φ)=|sinθ|(2-6)
将方向函数用曲线描绘出来,称之为方向图(FileldPattern)。
方向图就是与天线等距离处,天线辐射场大小在空间中的相对分布随方向变化的图形。
依据归一化方向函数而绘出的为归一化方向图。
在实际中,工程上常常采用两个特定正交平面方向图。
在自由空间中,两个最重要的平面方向图是E面和H面方向图。
E面即电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面;H面即磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面。
方向图可用极坐标绘制,角度表示方向,矢径表示场强大小。
sita=meshgrid(eps:
pi/180:
pi);产生格点矩阵一种矢量格式
fai=meshgrid(eps:
2*pi/180:
2*pi)';
f=abs(sin(sita));绝对值
fmax=max(max(f));
a=linspace(0,2*pi);从0到2派按线性分50个点,50没写,是默认的
f=sin(a);
subplot(1,1,1),polar(a,abs(f));title('电基本振子E平面');建立子图电极
sita=meshgrid(eps:
pi/180:
pi);
fai=meshgrid(eps:
2*pi/180:
2*pi)';
f=abs(sin(sita));
fmax=max(max(f));
[x,y,z]=sph2cart(fai,pi/2-sita,f/fmax);用法球坐标转化直角坐标图线图像
subplot(1,1,1),mesh(x,y,z);把这些点之间用网格连接起来
axis([-11-11-11]);用来设置axes的样式,包括坐标轴范围,可读比例等
title('电基本振子空间主体方向图');
2.对称阵子的辐射
对称振子是中间馈电,其两臂由两段等长导线构成的振子天线。
一臂的导线半径为a,长度为l。
两臂之间的间隙很小,理论上可忽略不计,所以振子的总长度L=2l。
对称振子的长度与波长相比拟,本身已可以构成实用天线。
图3-2对称振子结构及坐标图
由教材可知对称阵子辐射场为
(2-7)
根据方向函数的定义,对称振子以波腹电流归算的方向函数为:
(2-8)
上式实际上也就是对称振子E面的方向函数
四、实验内容及步骤:
根据电基本阵子、对称振子的方向函数,利用MATLAB编程并画出其方向图。
步骤一:
编写MATLAB程序,并保存为*.M文件(*代表文件名自起)
步骤二
在MATLAB中打开编写的*.M文件,阅读并分析整个程序,分析每条语句的作用,学习每个命令函数的用法。
将程序中的内容和原理部分相对照,找出所编写程序的理论依据,分析程序为什么对公式这样处理。
步骤三
输入波长λ=10,天线长度2L=2,画出天线方向图
步骤四:
输入波长λ=10,振子长度2L=4,画出天线方向图
步骤五:
输入波长λ=10,振子长度2L=13,画出天线方向图
步骤六:
输入波长λ=10,振子长度2L=15,画出天线方向图
步骤七:
输入波长λ=10,振子长度2L=20,画出天线方向图
步骤八:
输入波长λ=10,振子长度2L=30,画出天线方向图
步骤九:
与图3-3进行比较,体会振子长度对方向图的影响,方向图发生了哪些变化?
分析为什么常用天线多为半波偶极子天线和全波偶极子天线?
将实验过程及结果连带分析总结写入实验报告。
步骤十:
用matlab编程画出电基本振子空间主体方向图。
lamda=input('enterthevalueofwavelength=');
l=input('enteryourdipolelengthl=');
ratio=l/lamda;比率
B=(2*pi/lamda);
theta=pi/100:
pi/100:
2*pi;
ifratio<=0.1
E=sin(theta);
En=abs(E);
polar(theta,En)
else
f1=cos(B*l/2.*cos(theta));f2=cos(B*l/2);f3=sin(theta);
E=(f1-f2)./f3;
En=abs(E);
polar(theta,En)
end
天线长度为2时的方向图
天线长度为4时的方向图
天线长度为13时的方向图
天线长度为15时的方向图
天线长度为20时的方向图
天线长度为30时的方向图
对称振子空间主体方向图
五、实验小结
熟悉了MATLAB的基本使用方法及简单编程。
通过MATLAB编程,熟悉电基本阵子和对称阵子的辐射特性,了解影响对称阵子辐射的因素及其变化对辐射造成的影响。
当导体长度L为四分之一的波长的整数倍时,该导体在该波长的频率上呈谐振特性,对电基本阵子及对称阵子辐射有了深入的了解。
不仅巩固了在课上所学的知识,同时也为以后的学习和应用打下了基础。
一、实验目的:
通过MATLAB编程,熟悉磁基本振子的辐射特性
二、实验环境:
MATLAB软件
三、实验原理
磁基本振子就是理想的磁偶极子,如图1所示。
任何载流细导线回路L都可看成一个磁偶极子。
注意回路L不能翘曲,即回路L应该是某任意平面内的闭合曲线。
当L趋于零,就过度到理想磁偶极子。
磁基本振子如下图1所示,是一个在x-y平面上半径为a的细导线小圆环。
导线的线径可忽略,导线上电流可用线电流近似。
圆环上载有高频时谐电流i(t)=Jmcos(ωt+φ),故其相量表示是I=Jmejφ,圆环半径a比波长λ小得多,即a<<λ,故可假设圆环上任何地方电流的振幅和相位处处相等。
该磁基本振子的偶极矩M定义为M=IS=ISz0
(1)式中,I是复数表示的电流,S是回路L的有向面积,S的方向与L的绕向满足右手螺旋关系。
因为S在x-y平面,且逆时针转,故S的方向就是坐标轴z的正方向Z0。
要求解图1所示的磁基本振子m辐射的电磁场可以先求出m产生的矢量位A,然后求磁场强度H和电场强度E。
根据图1,磁基本振子m产生的矢量位A为
式中的积分严格计算比较困难,但因r′=a<<λ,所以其中的指数因子可以近似为
并且忽略高次项,矢量磁位的近似表达式为
其中后一项的积分为零
于是
代入
可得磁基本振子的磁场为
由上式可得:
另外,由
磁基本振子的远区辐射场:
磁基本振子的远区辐射场具有以下特点:
①磁基本振子的辐射场也是TEM非均匀球面波。
②
。
③电磁场与1/r成正比。
④与电基本振子的远区场比较,只是E、H的取向互换,远区场的性质相同。
其标量磁位为:
直角坐标系中可以确定空间任意一点P的坐标与距离R的关系:
四、实验内容及步骤:
根据磁基本阵子的方向函数,利用MATLAB编程并画出其方向图。
步骤一:
编写MATLAB程序,并保存为*.M文件(*代表文件名自起)
步骤二:
运行,得到仿真图
步骤三:
将仿真程序以及仿真图像写入实验报告
clear;clf;r=0.001;清除图形
s=pi*r^2;
I=2e-6;
a=0,b=-0.15;
[X,Z]=meshgrid([-2:
0.1:
2]);
R=sqrt(X.^2+Z.^2);平方根
cos=Z./R;
Um=I*s*cos./(4*pi*R.^2);
[Hx,Hz]=gradient(-Um);梯度
AH=sqrt(Hx.^2+Hz.^2);Hx=Hx./AH;Hz=Hz./AH;
ch=linspace(min(min(Um)),max(max(Um)),200);
contourf(X,Z,Um,ch,'k-');holdon;绘制矩阵的等高线
plot(a,b,'ro',a,b,'r+');holdon;
plot(a,-b,'ro',a,-b,'r-');holdon;
title('磁偶极子的场分布');
holdon;gridon画图的时候添加网格线
quiver(X,Z,Hx,Hz,0.5);使用箭头绘制矢量图
holdoff
a=
0
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