天线原理软件仿真实验内容

通信工程2012级天线原理Matlab实验一．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．实验原理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。3.均匀直线阵的阵因子：N个天线元沿y轴排列成一行（如下图），且相邻阵元之间的距离都为d，电流激励为In=In-1ejξ(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。设坐标原点(单元天线1)为相位参考点，当电波射线与阵轴线成δ角度时，相邻阵元在此方向上的相位差为Ψ(δ)=ξ+kdcosδ(1)N元均匀直线阵的阵因子为fa(δ)=|1+ejΨ(δ)+ej2Ψ(δ)+ej3Ψ(δ)+…+ej(N-1)Ψ(δ)|(2)三．实验主要内容第一题、N=20元均匀直线阵（边射状态）（1）给定各阵元间距为d=0.5λ，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δmax、第一副瓣对应的角度位置δm1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。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=0.5λ，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δmax、第一副瓣对应的角度位置δm1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。四．实验结果及分析1.第一题（边射状态）N=30,d=0.5λN=40,d=0.5λN=50,d=0.5λN=20,d=0.8λN=20,d=λN=20,d=1.5λ（1）随着阵元数的增加，波束宽度变窄，分辨力提高。（2）随着输入阵元间距d与波长倍数的增加，会出现栅瓣，导致空间模糊。第二题（端射状态）N=30,d=0.5λN=40,d=0.5λN=50,d=0.5λN=20,d=0.8λN=20,d=λN=20,d=1.5λ（1）随着阵元数的增加，主瓣波束宽度变窄，分辨力提高。（2）随着输入阵元间距d与波长倍数的增加，会出现栅瓣，导致空间模糊。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。边射阵的最大方向与阵元间距d无关，但不能选择d=nλ,当d=nλ时有：Ψ(δ)=ξ+kdcosδ=2ncosδ=2n(δ=00,0180)代入阵函数可知，在度和度的方向上，阵函数也出现了最大值，即出现了栅瓣。栅瓣会造成天线辐射功率的分散，并且容易受到严重的干扰。边射阵的可视区为[-kd，kd]，为防止出现栅瓣:maxd如果阵元间距d=0.5λ，在方向0,0均存在端射现象；如果阵元间距是波长的整数倍（dn，），会出现四个极大值方向，两个在0,0和方向端射，两个在/2,3/2方向边射。端射阵的可视区为[0,2kd]或者[-kd2,0]。为了得到单一的端射方向图、避免出现栅瓣，必须有maxd/2源代码：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')gridonsubplot(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=SLL^2;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;%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')gridonsubplot(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=SLL^2;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