最新版毕业论文无线系统中天线特性分析软件的编制.docx

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最新版毕业论文无线系统中天线特性分析软件的编制

无线系统中天线特性分析软件的编制

摘要

随着无线通信技术的迅速发展，天线作为无线系统中的重要组成部分得到了广泛的应用。

描述天线特性的参数很多，其中一些参数，如方向性系数、输入阻抗、互阻抗等都需要复杂的计算，在实际应用中很不方便。

为了解决这一问题，本文运用MATLAB语言编制了天线复杂参数的计算程序。

首先，复习了天线的有关知识，掌握了辐射阻抗、输入阻抗、方向性系数和增益系数等复杂参数的计算方法和公式。

其次，学习了MATLAB的GUI相关知识，掌握了其界面设计的方法，并学习了绘图的方法。

在此基础上，设计了天线参数的计算系统，并学会在界面设计好的基础上添加相关代码，实现所需要的功能。

最后，在界面完成的基础上，根据原理进行检验，验证系统功能的有效性和正确性。

本文基于MATLAB开发环境，使用MATLAB的GUI界面，设计了复杂天线参数的计算系统，并获得了良好的效果。

关键词：

天线输入阻抗增益MATLAB语言

Abstract

Withtherapiddevelopmentofthewirelesscommunication,theantennawidelyusedasanimportantpartinthewirelesssystem.Therearemanycharacteristicparametersfordescribingthecharacteristicparametersofantenna,inwhichsomeparameters,likethepattern-propagationfactor,theinputimpedance,themutualimpedanceandsoon,allneedthecomplexcalculation,Therefore,itisquitepracticallyinconvenient.Inordertosolvethisproblem,thistextestablishesthecalculationprocedureforthecomplexparametersofantennabyMATLABlanguage.

First,therelatedknowledgeabouttheantennaisnecessary,andwemustknowmoreaboutthemethodandtheformulaforthecomplexparameters,suchasradiationimpedance,inputimpedance,thepattern-propagationfactorandthegainfactorandsoon.Next,weshouldstudytherelatedknowledgeaboutGUIofMATLAB,andgraspthemethodtodesigninterfaceandtodraw.Thus,wegettheinterfacetocalculatethecorrelatedantennaparametersandbuildthecodeinittorealizethefunctionrequired.Finally,abovethis,carryontheexaminationaccordingtotheprinciple,fortestingthevalidityandtheaccuracyofthesystemfunction.

WiththeGUIinterfaceintheenvironmentofMATLAB,wedesignthesystemforcalculatingthecomplexparameteroftheantenna,andgainabeautifulperformance.

Keywords:

antenna；inputimpedance；gainfactor;MATLABlanguage

第1章绪论1

1.1课题研究的背景1

1.2课题研究的意义1

1.3本次课题的主要工作1

第2章天线参数的基础知识1

2.1对称振子1

2.2对称振子的输入阻抗4

2.3耦合对称振子的辐射阻抗6

2.4天线方向性系数与增益系数10

第3章Matlab开发软件15

3.1Matlab介绍15

3.2Matlab开发软件的应用15

3.3MatlabGUI介绍16

第4章天线参数计算软件的设计17

4.1界面设计17

4.2界面功能验证25

结束语32

参考文献33

第1章绪论

1.1课题研究的背景

《电波与天线》课程中很多重要的电气参数计算非常复杂，需要对复杂函数进行数值积分，如果让学生完成全过程的计算，能力强的学生需要花费大量的时间，能力差的学生甚至做不出来。

尽管这部分内容非常重要，但为了节省时间，目前各高校在实际教学中一般不要求学生进行具体计算，只给出一些常用的数值表格供学生查阅，象征性的练习一下，这样做的结果是学生不注重这些重要参量的计算方法，只会套用现成结果，遇到实际问题就会感到无从下手，非常不利于学生研究性学习的培养。

本文的任务是编制天线复杂参数的计算软件，利用该软件计算天线参数时，需要自行输入计算公式，因此不是傻瓜式的软件。

1.2课题研究的意义

借助本文所编制的软件，学生可以通过自己输入的公式计算相应的复杂的天线电气参数，通过对天线互阻抗，辐射阻抗，方向性系数等的计算，加深对天性电气性质的理解。

同时，通过计算多组数据，也可以加强对天线特性随参数变化规律的把握，加深对所学知识的掌握和理解，有利于自身能力的提高。

1.3本次课题的主要工作

本次课题主要工作是做出一个编程的工作软件界面，首先做出主对话框，在主对话框中做出所需要的计算参数的界面，然后点击主对话框的所要计算的参数按钮，即可进入所需计算参数的界面，输入所需条件和计算公式即可计算出所需参数结果。

本次课题的主要难点是积分的运算和如何将所输入的公式调入程序。

第2章天线参数的基础知识

2.1对称振子

对称振子：

又称双极天线，由两段长度为l的等长的直导线构成，在两线间隙处由传输线进行馈电。

对称振子可看作是由末端开路的平行双线过渡而成的（如图2.1和图2.2所示），故可近似认为对称振子上的电流分布为纯驻波分布。

图2.1对称振子结构图

图2.2末端开路的传输线过渡成对称振子

图2.3半波和全波对称振子的全波分布

电流分布的解析式为

（2.1）

IM：

对称振子上的波腹电流振幅值。

'：

对称振子电流的相位常数，'≈。

图2.4直角球坐标系中的对称振子

将对称振子划分成无限多个元长度，而每一个元长度就可以看成是一个电流元I（z）dz。

已知电流元的辐射场为

（2.2）

在对称振子的左臂z1点处和右臂z2点处各选定一个电流元

（z1<0）

（z2>0）

r1=r－z1cos

r2=r－z2cos（2.3）

注：

由于观察点远离对称振子，故可以近似认为1=2=。

在观察点P（r,,）处的辐射场的复振幅

（2.4）

注：

上式中近似认为分母中的r1=r2=r，但在指数中不能这样处理。

因为各电流元辐射场均为方向,故矢量场叠加可变成代数相加或积分

（2.5）

整个对称振子的辐射场电场强度矢量为

（2.6）

与电流元一样，对称振子仍应满足

（2.7）

2.2对称振子的输入阻抗

天线输入端电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。

输入阻抗具有电阻分量Rin和电抗分量Xin。

即Zin=Rin+Xin。

电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。

事实上，即使是设计调试很好的天线，其输入阻抗中，总还有一个小的电抗分量值。

因为可以把对称振子看成是由末端开路的有损耗平行双线逐渐张开而形成的，所以可用等效传输线法来求对称振子的输入阻抗。

已知有损耗开路平行双线的等效阻抗为

（2.8）

上式中和分别为有损耗平行双线的衰减常数和相位常数，而

（2.9）

图2.5对称振子平均特性阻抗示意图

由于对称振子不是均匀分布参数系统，因此不能用式（2.9）计算它的特性阻抗。

如图1-3-3所示，图（a）中的平行双线间距D是均匀的；而图（b）中的对称振子两臂对称点之间的距离2z是从0~2l之间连续变化的。

我们可以用对称振子的平均特性阻抗来代替平行双线的特性阻抗，即

（2.10）

从上式可以看出，对称振子越细、越长其平均特性阻抗WA越大；反之，对称振子越粗、越短其平均特性阻抗WA越小。

实践表明，有耗平行双线的相位常数'≈1.05。

为自由空间电磁波的相位常数。

可以证明，对称振子的等效平均分布电阻可以用辐射电阻R来计算，即

（2.11）

于是，等效衰减常数为

（2.12）

于是可得：

（2.13）

即：

（2.14）

图2.6对称振子的输入阻抗

输入阻抗与天线的结构尺寸及工作波长有关，半波对称阵子是最重要的基本天线，其输入阻抗为Zin=73.1+j42.5.当把其长度缩短（3-5）%时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，此时的输入阻抗为Zin=731.，（标陈75欧）。

2.3耦合对称振子的辐射阻抗

1.耦合对称振子的概念:

天线阵中的对称振子由于受邻近对称振子辐射场和感应场的影响而使其上的电压和电流发生变化，辐射复功率也随之发生变化，这时对称振子的特性与孤立时的不同，称为耦合对称振子。

图2.7耦合对称振子

2.耦合对称振子的阻抗方程和等效电压方程，其基本参数如下:

－振子1孤立存在时的波腹电流的复振幅；

－相应的辐射复功率，称为自辐射复功率。

－振子1受振子2影响所产生的额外的辐射复功率（假设振子1仍保持原来的波腹电流不变），称为感应辐射复功率。

－振子2孤立存在时的波腹电流复振幅

－相应的自辐射复功率；

－振子2受振子1影响所产生的额外的辐射复功率（假设振子2仍保持原来的波腹电流不变），称为感应辐射复功率。

振子1和振子2总的辐射复功率分别为

（2.15）

设

（2.16）

（2-4-2）

把式（2.15）和式（2.16）相比较，就能得到耦合对称振子的阻抗方程式

（2.17）

设耦合对称振子的等效电压满足以下关系：

（2.18）

式中等效电压只是由两个振子各自的电流和辐射复功率计算出来的复数电压，它们并不是对称振子上某处的电压。

（2.19）

把式（2-4-3）代入上式，可得

（2.20）

上式中，是振子2开路时，振子1不受其影响的等效电压，是在振子2影响下振子1的附加电压；是振子1开路时，振子2不受其影响的等效电压，是在振子1影响下振子2的附加电压。

显然振子1的附加电压应与振子2的电流成正比；而振子2的附加电压应与振子1的电流成正比，即

（2.21）

上式中，Z12是在振子2影响下振子1的互辐射阻抗；而Z21是在振子1影响下振子2的互辐射阻抗。

把式（2.21）代入式（2.20），可得

（2.22）

这就是耦合对称振子的等效电压方程式。

耦合对称振子等效电压方程式还可以利用图2.8中的4端网络来帮助记忆。

根据图2.8中的电路可直接写出等效电压方程式，即式（2.22）。

从式（2.19）中解出两个振子的辐射阻抗，然后再代入式（2.22）；或者从式（2.21）中解出感应辐射阻抗，然后再把它代入式（2.17）都可以得到下面的辐射阻抗方程式。

图2.8等效电压方程式的等效电路

（2.23）

3.互辐射阻抗的求法

耦合对称振子互辐射阻抗的求解方法通常采用感应电动势法，该法较为复杂，实际中可直接查相应的表格曲线。

利用感应电动势法可求得互电阻和互电抗的计算公式

（2.24）

图2.9给出了共轴线排列的耦合半波对称振子（l1=l2=l=0.25）互电阻和互电抗随距离的变化的曲线。

图中s是耦合对称振子相对的两个端点之间的距离。

从图中可以看出，随距离s增大，互电阻R12和互电抗X12的变化幅度逐渐减小。

图2.9共轴线排列的耦合半波对称振子的互电阻和互电抗曲线

图2.10给出了齐平排列的耦合半波对称振子（l1=l2=l=0.25）互电阻和互电抗随间距d1的变化曲线。

与共轴线排列的耦合对称振子相似，随距离d1增大齐平排列的耦合对称振子互电阻和互电抗的变化幅度也是逐渐减小。

图2.10齐平排列耦合半波对称振子的互电阻和互电抗曲线

如果齐平排列的两个对称振子之间的距离逐渐缩小直到接触到一起，就成了一个振子，这时可得对称振子的自辐射阻抗为

（2.25）

对于半波对称振子，其自辐射阻抗为

Z11=R11＋jX11=73.1+j42.5（）

2.4天线方向性系数与增益系数

方向性系数是表征天线辐射电磁波能量集中程度的参数，它与天线的方向特性和阻抗特性都有关系。

方向性系数是用来表示天线某一个方向集中辐射电磁波程度（即方向性图的尖锐程度）的一个参数。

为了确定定向天线的方向性系数，通常以理想的非定向天线作为比较的标准。

任一定向天线的方向性系数是指在接收点产生相等电场强度的条件下，非定向天线的总辐射功率对该定向天线的总辐射功率之比。

按照上面的定义，由于定向天线在各个方向上的辐射强度不等，故天线的方向性系数也随着观察点的位置而不同，在辐射电场最大的方向，方向性系数也最大。

通常如果不特别指出，就以最大辐射方向的方向性系数作为定向天线的方向性系数。

定义1．最大辐射强度与平均辐射强度之比。

定义2．相同距离、相同辐射功率条件下天线最大辐射方向的功率流密度与无方向性理想点源的功率流密度之比；

定义3．相同距离、相同辐射功率条件下天线最大辐射方向的场强与无方向性理想点源场强的平方之比。

（2.26）

把式（1-4-25）和式（1-4-5）代入式（1-4-27），可得

（2.27）

还可以用归一化方向性函数来计算方向性系数

（2.28）

可以直接用辐射电阻来计算方向性系数，因为

（2.29）

由此可以得到，

（2.30）

还可以用有效长度和辐射电阻来计算方向性系数，因为

（2.31）

可以推出，

（2.32）

需要注意的是上式中有效长度和辐射电阻以及fmax都是以相同的电流做参照的电气参数。

如，电流元的方向性系数D==1.5；

半波对称振子方向性系数为D==1.64；

全波对称振子的方向性系数为D==2.41。

由于

可以推出，

（2.33）

由（2.33）式可知，式中的场强是最大辐射方向（M,M）上的振幅值，当需要计算有效值的时候，把根号中的60改为30就行了。

天线的效率：

辐射功率P与输入功率Pin之比，即

（2.34）

损耗功率：

输入功率Pin与辐射功率P之差称为天线的

（2.35）

天线的损耗功率是由导体电阻、介质漏电导以及其他因素引起的。

若以天线馈电点电流Iin做参照，则

（2.36）

它们之间应有下面关系

（2.37）

注意，即使损耗是由天线导体所引起的，损耗电阻Rlin也不等于天线导体的直流电阻R（导体）。

由于天线导体直流电阻值R（导体）是在直流或均匀分布电流情况下测出的，而一般情况下天线上的电流振幅分布I（z）往往是不均匀的。

把式（2.36）和式（2.37）先后代入式（2.34），可得

（2.38）

提高天线的效率的两个途径：

1．降低损耗电阻Rlin，

2．提高辐射电阻Rin。

天线的增益系数平时也简称天线最大增益或天线增益。

指在最大场强方向上某点产生相等电场强度的条件下，标准天线（无方向）的总输入功率对定向天线总输入功率的比值，称该天线的最大增益系数。

它是比天线方向性系数更全面的反映天线对总的射频功率的有效利用程度。

并用分贝数表示。

可以用数学推证，天线最大增益系数等于天线方向性系数和天线效率的乘积。

天线增益系数的定义方式与方向性系数的定义方式很相似。

（2.39）

假设天线的输入功率能够完全辐射到自由空间，则输入功率折合的假想的平均辐射强度为

（2.40）

因为（2.41）

所以

（2.42）

可见，增益系数G比方向性系数D更能完整地反映天线转换和辐射电磁功率的特征。

因为,所以天线在最大辐射方向上的辐射场还如下式所示，

（2.43）

其中F是场强方向函数。

第3章Matlab开发软件

3.1Matlab介绍

MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。

它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

MATLAB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MATLAB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。

3.2Matlab开发软件的应用

MATLAB产品族可以用来进行以下各种工作：

　　●数值分析

　　●数值和符号计算

　　●工程与科学绘图

　　●控制系统的设计与仿真

　　●数字图像处理技术

　　●数字信号处理技术

　　●通讯系统设计与仿真

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。

3.3MatlabGUI介绍

用户界面（或接口）是指人与机器（或程序）之间交互作用的工具和方法，如键盘鼠标、跟踪球、话筒都可成为与计算机交换信息的窗口。

图形用户界面（GraphicalUserInterfaces,GUI）则是由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象（Objects）构成的一个用户界面。

用户通过一定的方法（如鼠标和键盘）选择激活这些图形对象，使计算机产生某种动作或变化，比如实现计算和绘图。

用户界面是用户与硬件、软件交互、通信的中介，通过用户界面，用户向软件发出执行某项功能的指令，该软件利用硬件、其他软件执行该指令，并以图形或文字的形式将执行结果返回给用户。

早期的用户界面大多是基于文字的形式，最典型的莫过于DOS系统。

用户输入某一指令，系统通过调用软件、硬件资源执行该指令，并以文字的形式返回执行结果。

现今，对大多数用户来说，DOS（及类似的用户界面系统）似乎是一个讳深莫测的世界，不仅单调乏味，而且工作效率也很低；人们更青睐于一种所见即所得的用户界面系统，即图形用户界面（GraphicalUserInterface，简称GUI）。

图形用户界面是由窗口、光标、按键、菜单、文字等元素构成的用户视窗，用户通过对这些元素的点击、选中等就能很轻松地完成某项功能，这种所见即所得的特性尤其在图形绘制等方面具有很好的应用。

图形用户界面程序可以分为两个相对较独立的子模块，即界面模块和工作模块，界面模块接受用户的输入，并将输入数据和操作请求提交给工作模块；而工作模块通常在后台完成数据处理任务，并将结果提交到界面。

相应地，GUI程序设计可以分为界面设计和程序设计两部分。

第4章天线参数计算软件的设计

4.1界面设计

做本课题主要需要用MATLAB图形用户界面GUI进行设计。

做本课题前需要掌握如何运用GUI进行生成用户界面，如何在相应的CALLBACK函数中添加相应代码，同时还需要掌握在界面中绘图的一些方法。

主对话框生成

第一步：

打开MATLAB，选择好存储路径C:

\ProgramFileMATLAB701,然后点击图标GUIDE，将会弹出窗口如图2.1所示。

图4.1MatlabGUI界面

选择默认设置，点击OK按钮，弹出对话框，在对话框中添加三个按钮，双击按钮，在PropertyInspector选项中将三个按钮的名称分别改为输入阻抗互辐射阻抗方向性系数和增益系数。

得到主对话框界面如下图4.2所示。

图4.2主对话框界面

将主对话框保存，命名为untitledA.fig

子对话框的生成

跟主对话类似，点击MATLAB的GUIDE，存储路径与主对话框相同，生成三个子对话框。

设置子对话框1,计算互辐射阻抗，将其命名为untitleda1.fig，添加按钮及编辑框，并对按钮和编辑框进行相应的设置，结果如图2.3所示

图4.3互辐射阻抗界面图

设置子对话框2，计算输入阻抗，将其命名为untitleda2.fig，同样添加按钮及编辑框，并对按钮和编辑框进行相应的设置，结果如图2.4所示

图4.4输入阻抗计算界面图

设置子对话框3，计算输入阻抗，将其命名为untitleda3.fig，同样添加按钮及编辑框，并对按钮和编辑框进行相应的设置，结果如图2.5所示

图4.5计算方向性系数和增益系数界面图

设置子对话框4，绘制输入电阻曲线，将其命名为untitledaplot1.fig，同样添加按钮及编辑框，并对按钮和编辑框进行相应的设置，结果如图4.6所示

图4.6绘制输入电阻曲线界面

设置子对话框5，绘制输入电抗曲线，将其命名为untitledaplot2.fig，同样添加按钮及编辑框，并对按钮和编辑框进行相应的设置，结果如图4.7所示、

图4.7绘制输入电抗曲线界面