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1、答辩人 贾淼淼专业班级 通信工程3班指导老师 房少军 电视发射天线方向性图的计算与绘制 2020 4 4 1 课题研究的背景及意义 电视发射天线技术的应用具有传输频带极宽 通信容量大 干扰小 抗干扰能力强的特点 因此电视发射天线技术的应用 极大提高了电视发射天线技术 一直受到广播电视业的青睐 现在仍然是发展广播电视的主要途径 电视发射天线是整个电视无线发射系统的一个重要环节 通过对电视发射天线场形的可视化计算 对于合理选择天线型式 合理配置天线的偏置 零点填充等具有重要的意义 随着城市规模的不断扩大 电台数量的日益增多 并遍及到一些中 小城市 要求服务范围能覆盖广大的农村和边远地区 使过去电视
2、发射天线逐步不能适应现代社会的发展 为了处理好城市发展与电视发射天线间的矛盾 有必要研究电视发射天线方向性图 以使这种矛盾得到改善 2020 4 4 2 主要内容 天线的基本原理电视天线方向性图的计算相关计算机技术方向性图的软件绘制 2020 4 4 3 天线的基本参数 1 方向性函数和方向性图天线的方向性是指在远区相同距离的条件下 天线的辐射特性与空间方向的关系 可用天线的方向性函数和方向性图来描述 方向性函数是描写天线的辐射参量随空间方位变化的数学表达式 方向性图是相应的图解表示 2020 4 4 4 天线的基本参数 2 方向系数为了更精确的表示某一天线的方向性 或对不同天线的方向性进行比
3、较 必须用更精确的数量指标 即方向系数 方向性系数表示在辐射功率相同的条件下 被研究天线在它最大辐射方向上的辐射功率密度 比无方向性天线在相应方向上辐射功率密度增加的倍数 天线方向性越强 辐射就越集中 在它的最大辐射方向上 所产生的场强比无方向性天线产生的强的更多 是表征天线辐射电磁波能量集中程度的参量 2020 4 4 5 天线的基本参数 3 增益增益是反映天线效率的方向性参数 其定义为 在输入功率相等的条件下 天线在方向的功率密度与无方向性 无损耗天线的功率密度之比 它比方向性更加实际 增益还可以理解为 在天线的最大辐射方向某一点 该天线的电场强度与理想点源天线在同一处产生的电场强度相同的
4、情况下 理想点源天线的输入功率与该天线的输入功率之比 增益的表达式 G D 2020 4 4 6 天线的基本参数 4 极化方式天线的极化是指天线所辐射的电磁波的极化 即电磁波在传播过程中其电场矢量方向和幅度随着时间的变化状态 电磁波的极化分为线极化 圆极化和椭圆极化 通常所说的天线极化是指最大辐射方向或者最大接收方向的极化 2020 4 4 7 对称振子 1 对称振子的结构对称振子结构如右图所示 由两段同样粗细和等长度的直导线构成 每根导线称为臂 振子每臂的长度为l 在中间的两个端点对称馈电 全长为2l的对称振子也叫做臂长为l的对称振子 2020 4 4 8 对称振子 2 对称振子的辐射场及其
5、方向性假设对称振子位于自由空间 即不需要考虑周围环境对天线辐射场的影响 将对称振子划分为无限多个元长度 由于每段非常短 每一个元长度上的电流在某一瞬间可以认为是均匀分布 由天线理论可知 对称振子对称振子在远区电场只有E 分量 在这里不做过多叙述 根据严格的推导可得对称振子的方向性函数 2020 4 4 9 天线阵 1 天线阵的基本概念为了使辐射场实现某种方向性 把若干个天线按某种排列方式组合在一起就构成了天线阵 构成天线阵的每一个天线称为单元天线 由n个单元天线构成的天线阵就称为n元天线阵 如下图所示 2020 4 4 10 天线阵 2 天线阵的方向性以二元天线阵为例 两阵子的阵子轴 一 字排
6、开 称为共轴线排列 两阵子的阵子轴平行排列 称为齐平排列 可以证明 天线阵的方向性是由单元天线本身的方向性和阵因子的方向性共同作用的结果 是二者的乘积 两个单元天线存在相位差角 由波程差和电流相位差组成 如下式所示 第一项为波程差 第二项为电流相位差 2020 4 4 11 天线阵 2 天线阵方向性可以证明 二元天线阵的归一化阵因子为 类似的可以证明 多元天线归一化阵因子为 2020 4 4 12 天线阵 3 理想导电地面上的对称振子首先介绍镜像原理 把理想导体平面看作对称面 用对称位置处的等量异号点电荷代替无限大理想导体平面的作用 使对称面上方电力线分布仍与原来无限大理想导体平面上方电力线的
7、分布相同 天线和镜像电流产生的合成场在理想导电地面上满足边界条件 而且镜像电流在上半空间任一点的场等于理想导电平面上的分布电流产生的场 在求位于理想导电地面附近的天线产生的场时 通常用天线的镜象代替地面对它的影响 2020 4 4 13 天线阵 3 理想导电地面上的对称振子因为本课题研究的是四面组合天线的方向性图 所以我们只对水平对称振子的辐射场及方向性进行具体说明 电流元的镜像是负像 对称振子的镜像就是负像 水平对称振子和其镜像构成了齐平排列 间距d 2H的等幅反相二元天线阵 反向二元阵的辐射场相位差函数为水平对称振子的地面因子为 2020 4 4 14 电视发射天线方向性图 由于本课题主要
8、是对电视发射天线方向性图的研究 其分类及特性在此不作具体介绍 电视发射天线各种不同情况的方向性图计算的原理和公式推导都类似 由于时间原因 这里主要对水平极化正置水平方向性和水平极化多层组合天线垂直方向性这两种情况进行具体说明 2020 4 4 15 水平极化正置情况的水平方向性 天线水平正置的放置图如右图所示 其中偶极天线为对称振子 H为天线与反射板之间的距离 2d表示正方形柱体边长 由前述可知 对称振子的方向性为 2020 4 4 16 水平极化正置情况的水平方向性 反射板对振子的作用就可等效成其镜像天线对振子辐射场的作用 单元天线与其镜像可以等效成为水平放置的齐平排列 间距为d 2H的等幅
9、反相二元天线阵 所以地面因子为所以图中1号天线的方向性为2号天线的方向性为 2020 4 4 17 水平极化正置情况的水平方向性 因为四个单元天线的电流幅度 相邻相位差均相等 所以天线阵方向性关于坐标原点具有严格的对称性 只对第一象限进行讨论 电流相位相同时合成场水平方向性为其绝对值为类似的 当电流相位相差90度是 合成场水平方向性绝对值为实验证明 当边宽满足2d 3 4 1 时 方向性均匀 满足要求 2020 4 4 18 水平极化正置情况的水平方向性 水平极化正置情况的水平方向性图如下图所示 2020 4 4 19 水平极化偏置情况的水平方向性 1 第一种偏置情况第一种偏置天线放置图如右图
10、所示 与正置情况类似 仅讨论第一象限的情况 考虑反射板时 振子1和振子2的方向性分别为 2020 4 4 20 水平极化偏置情况的水平方向性 1 第一种偏置情况在第一象限内 合成水平方向性为其中 0为电流相位差 Ki为通过天线的电流之比 即Ki I2 I1 xd表示振子的中点偏离天线塔面中点的距离 右图为相位差角为0和90度时水平极化第一种偏置情况的水平方向性图 2020 4 4 21 水平极化偏置情况的水平方向性 2 第二种偏置情况如图所示的偏置方式 振子1 2是90 相位差馈电 振子2 3同相馈电 振子3 4是90 相位差馈电 振子4 1同相馈电 这种偏置情况下 相邻天线方向性为 2020
11、 4 4 22 水平极化偏置情况的水平方向性 2 第二种偏置情况AOC范围COB范围BOD范围和DOA范围的方向性分别为所以其方向性图为 2020 4 4 23 水平极化斜置情况的水平方向性 当天线支柱较大时 往往采用斜置方式来获得水平全向性 如图所示 作为近似分析 认为在以R为半径的圆周上 排列4个带反射板的偶极天线 其合成方向性可顺序按各象限方向性图求出 图中 天线1和天线2的方向性分别为 2020 4 4 24 水平极化斜置情况的水平方向性 可以得出1号天线和2号天线在第一象限的合成水平方向性为式中代入不同的参数则可求出合成水平方向性 右图所示为激励电流振幅相同 相位差90 时 不同RS
12、的方向性图 2020 4 4 25 垂直极化多面组合天线的水平方向性 垂直极化天线在我国使用的很少 所以不进行过多的分析 天线如右图放置时 第一象限的合成场水平方向性为其中其方向性图如右图所示 2020 4 4 26 带反射板的多层组合天线的垂直方向性 如右图所示 当采用多层天线时 把振子群等分为上下两组 图中KP为激励的功率比 KP P2 P1 即其场强之比为 假设第一组振子群场强为1 那么第二组振子群的场强即为 V为上下两组电流相位差 S为对称振子间的间隔 N为偶极天线的层数 H为振子和反射板之间的距离 L为振子的长度 讨论垂直方向性时分两种情况 下面我们分别对这两种情况进行讨论 2020
13、 4 4 27 带反射板的多层组合天线的垂直方向性 1 天线水平极化由前述可知 带反射板的对称振子的方向性为带反射板的对称振子之间的相位差 为因为对称振子之间的距离为S 所以带反射板的对称振子之间的相位差 1为 2020 4 4 28 带反射板的多层组合天线的垂直方向性 1 天线水平极化齐平排列天线阵的阵因子为由于偶极天线方向性为单元天线方向性与阵因子的乘积 所以取绝对值后可得一组偶极天线的方向性为 2020 4 4 29 带反射板的多层组合天线的垂直方向性 1 天线水平极化对称振子之间的距离为S 偶极天线的层数为N 所以上下两组振子群之间的距离为NS 2 其相位差 2为根据余弦定理可知 合成
14、方向性为 2020 4 4 30 带反射板的多层组合天线的垂直方向性 2 天线垂直极化由前述可知 带反射板的对称振子的方向性为与水平极化分析过程相同 可得一组偶极天线的方向性为总的合成方向性为 通常KP取1 4 4 1 3 7 7 3 9 1 2020 4 4 31 MATLAB应用 本课题使用的计算机相关技术是MATLAB软件程序设计 程序设计的思路是先确定角度为第一象限 输入可变性参数以后分别列出单元天线 1号天线和2号天线的方向性并显示其方向性图 由已输入的天线之间的相位差来确定合成的第一象限的方向性 由于严格对称可根据第一象限的方向性绘制整个坐标系内的方向性图 程序设计中应用了矩阵运算
15、 input函数 选择语句if 循环语句for polar函数 figure函数 Set函数等 2020 4 4 32 MATLAB应用 下图为程序设计思路的流程图 2020 4 4 33 软件绘制结果 1 水平极化正置水平方向性图可以看出 根据所述流程图在MATLAB软件中绘制的不同情况的方向性图 均与实际方向性图大体一致 右图为相位分别为0度和90度时的水平极化正置情况下的水平方向性图 2020 4 4 34 软件绘制结果 2 水平极化偏置水平方向性图下图分别为水平极化时第一种偏置情况和第二种偏置情况下的水平方向性图 2020 4 4 35 软件绘制结果 3 水平极化斜置水平方向性图下图分别为相位差为0度和90度时水平极化斜置情况下的水平方向性图 2020 4 4 36 软件绘制结果 4 垂直极化情况水平方向性图下图分别为相位差为0度和90度时垂直极化情况下的水平方向性图 2020 4 4 37 软件绘制结果 5 多层组合带反射板的偶极天线的垂直方向性下图分别为天线水平极化和垂直极化情况下的垂直方向性图 2020 4 4 38 结束语 致谢感谢我的导师房少军老师对我毕业设计的指导 以及各位老师的关心与帮助 以上就是我的毕业设计 请各位老师批评指正 2020 4 4 39
