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1、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
2、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AbstractWith the rapid development of the wireless communication , the antenna has been widely used as an important part in the wireless system .There are many characteristic parameters for desc
3、ribing the characteristic parameters of antenna ,in which some parameters, like the pattern-propagation factor, the input impedance, the mutual impedance and so on ,all need the complex calculation, Therefore , it is quite practically inconvenient .In order to solve this problem, this text establish
4、es the calculation procedure for the complex parameters of antenna by MATLAB language .First, the related knowledge about the antenna is necessary, and we must know more about the method and the formula for the complex parameters, such as radiation impedance, input impedance, the pattern-propagation
5、 factor and the gain factor and so on .Next, we should study the related knowledge about GUI of MATLAB, and grasp the method to design interface and to draw. Thus, we get the interface to calculate the correlated antenna parameters and build the code in it to realize the function required .Finally,
6、above this, carry on the examination according to the principle, for testing the validity and the accuracy of the system function.With the GUI interface in the environment of MATLAB, we design the system for calculating the complex parameter of the antenna, and gain a beautiful performance.Keywords:
7、 antenna；input impedance； gain factor ; MATLAB language目录第1章 绪论11.1 课题研究的背景11.2 课题研究的意义11.3 本次课题的主要工作1第2章 天线参数的基础知识12.1 对称振子12.2 对称振子的输入阻抗42.3 耦合对称振子的辐射阻抗62.4 天线方向性系数与增益系数10第3章 Matlab开发软件153.1 Matlab介绍153.2 Matlab开发软件的应用153.3 Matlab GUI介绍16第4章 天线参数计算软件的设计174.1 界面设计174.2 界面功能验证25结束语32参考文献3336无线系统中天线特
8、性分析软件的编制第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
9、 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
10、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。b ：对称振子电流的相位常数，b b 。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
11、振子的左臂z1点处和右臂z2点处各选定一个电流元 (z10)r1 = rz1cosqr2 = rz2cosq(2.3)注：由于观察点远离对称振子，故可以近似认为 q1 = q2 = q 。在观察点P(r,q ,j)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
12、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 a 和 b 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
13、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b 1.05b 。b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RS 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
14、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)
