平面口徑場方向特性的研究

1、 南 京 工 程 學 院畢業(yè)設計說明書(論文)作 者： * * * 學 號： * * * 系 部： 通信工程學院 專 業(yè)： 通信工程 題 目： 平面口徑場方向特性的研究 指導者： * * * 教授 評閱者： * * *講師 2013 年 6 月 南 京Research on the Direction Characteristic of the Planar Aperture FieldA Dissertation Submitted toNanjing Institute of TechnologyFor the Academic Degree of Bachelor of ScienceB

2、yGuosheng Chang College of Communication EngineeringNanjing Institute of Technology June 2013 摘 要本文運用了matlab仿真技術對平面口徑場的方向特性進行了研究，內容包括矩形平面口徑、圓形口徑以及喇叭天線在不同長度和寬度的條件下輻射場的方向特性。通過改變其幾何參數(shù)，獲得了方向圖隨天線不同的參量的變化規(guī)律。研究過程包括模型構建、仿真計算、數(shù)據(jù)處理、比較分析等。結果表明，在矩形平面口徑下，隨著矩形的一個邊長逐漸變大，它的增益會由小到大再逐漸變小。在喇叭天線里，隨著口面尺寸越大，長度越長，增益越高。因此，

3、喇叭一般適合做中低增益天線，增益在20dB以下，不超過25dB。文中還對喇叭天線的最佳尺寸進行了詳細討論。 關鍵詞：矩形平面口徑；圓形口徑；喇叭天線；增益Abstract This paper studied the directional characteristics of planar aperture field by using matlab simulation technology, including rectangular plane aperture, circular aperture. The directional characteristics of horn an

4、tenna in different lengths and widths is also researched. I obtained several radiation pattens by changing the geometric parameters. The research processes include model construction, simulation, data process and comparative analysis. The result shows that if the length of the one side of the rectan

5、gle gradually becomes longer, its gain will become bigger firstlly then smaller laterlly. In the horn antenna, the longer of the size of aperture, the higher the gain becomes. Therefore, the horn antenna is generally suitable for the low-gain antenna whose gain is less than 20dB and not more than 25

6、dB. The paper has made a detailed discussion for the best size of horn antenna.Key words: Rectangular plane aperture, Circular aperture, Horn antenna, Gain目 錄第1章 緒論11.1引言11.2選題背景與意義11.3研究現(xiàn)狀21.4論文的主要內容31.5主要章節(jié)安排3第2章 天線的基本理論42.1 增益天線的概述與分類42.1.1 增益天線的概述42.1.2 增益天線的分類42.1.3增益天線全向天線52.3天線的主要技術指標72.4 Mat

7、lab在天線的設計中應用8第3章 矩形口徑天線的方向特性的研究93.1面天線、惠更斯原理和等效原理93.1.1面天線結構93.1.3惠更斯元的輻射103.2 矩形平面口徑天線的基本理論103.2.1方向系數(shù)103.3矩形口徑的立方向圖增益變化143.4平面口徑歸一化方向圖增益變化163.4.1矩形同相平面口徑163.4.2圓形同相平面口徑173.5同相平面口徑場輻射特征19第4章 非同相平面口徑204.1相位偏移對口徑輻射場的輻射204.2 平方率向位偏移對矩形口徑方向圖的影響204.3 立方率相位偏移矩形口徑方向圖21第5章 喇叭天線235.1 喇叭天線的概述235.2 E面喇叭和角錐喇叭的

8、通用E面方向圖245.3方向圖分析255.4角錐喇叭的方向系數(shù)圖分析255.4.1最佳喇叭方向系數(shù)26第6章 總結和展望27致謝28參考文獻29附件30南京工程學院畢業(yè)設計說明書(論文)第1章 緒論1.1引言 無線電天線對于無線電系統(tǒng)是必不可少的基本部件。天線是一種裝置，它為輻射及接收無線電電波提供了手段【1】。換言之，它提供從傳輸線上波導到“自由空間”波的轉換（在接收時是逆轉換）。這樣，信息可以跨區(qū)域傳輸而無需任何中介結構。面天線用在無線電的高頻端，尤其是微波波段，這類天線所載的電流是分布在金屬面上的【2】，而金屬面的口徑尺寸遠大于工作波長。目前在工程實際中, 要使微波天線產生銳方向性波束,

9、 除了采用天線陣的方法就是使用口徑面天線, 或簡稱面天線。因此，研究面天線的輻射場方向性，探討其規(guī)律，有一定的工程應用意義。1.2選題背景與意義 隨著無線電通信技術的發(fā)展，面天線在各個領域都得到了廣泛的應用。如手機、藍牙、雷達、無線電視；無線地波探測、無線電引信；環(huán)境檢測儀表和遙感；復雜天線中的饋電單元；GPS衛(wèi)星導航接收機；生物醫(yī)學輻射器等【3】。就天線的實際應用需求而言，寬頻帶和小型化是天線目前最主要的幾個研究方向【4】。最近幾十年，隨著無線通信技術的迅猛發(fā)展，對天線技術提出了越來越高的要求。由于普通結構的天線頻帶寬度十分狹窄，因此近年來發(fā)展了多種技術來提高天線帶寬，包括對天線的加載技術、

10、分形技術、多諧振技術、有源天線技術等。在對面天線進行方向性研究時，怎么樣保持其單一變量是尤為重要的。1.3研究現(xiàn)狀自從赫茲、馬可尼發(fā)明了天線以來【5】，天線在社會生活中越來越發(fā)揮其重要性，如今已經成為人類生活中必不可少的部分。1873 年麥克斯韋(Maxwell)從理論上預言電磁波的存在，自從1879 年馬可尼(Marconi)首次獲得了一個完整天線電報系統(tǒng)的專利以來，伴隨著天線技術不斷進步，人類對自然界廣泛存在電磁波這種物質的形態(tài)的認識在不斷深化，創(chuàng)造多種和多樣電磁波工程系統(tǒng)無線電的通信系統(tǒng)。從廣播、電視、移動通信到雷達、導航、氣象、定位和衛(wèi)星，到軍事領域制導武器，再到電子對抗等領域取得極為

11、豐碩研究成果【6】。赫茲于1886年建立了世界上第一個天線系統(tǒng)，他在當時配備的設備在今天可看做為一個工作在米波的波長完整的無線電系統(tǒng)，是采用終端加載偶極子作為發(fā)射的天線，諧振環(huán)作為接收天線。1895年的5月，俄羅斯科學家亞歷山大利用電磁波發(fā)送出了第一個信號被30英里外處的海軍軍艦艇接收到。1901年的12月，馬可尼在赫茲的系統(tǒng)上做了改進，添加了一個調諧電路，并為較長的波長配置了大天線以及接地系統(tǒng)，于紐芬蘭圣約翰斯接收到了來自英格蘭波爾多的無線電信號。次年，馬可尼便開始正規(guī)無線電的通信服務【7】。而20世紀初，“共和國號”及“泰坦尼克號海難事件的出現(xiàn)，戲劇性的體現(xiàn)了馬可尼發(fā)明在海上的價值【8】。

12、由于在無線電出現(xiàn)之前，海上的船舶是完全孤立的，災難突然來襲時，即使是靠近的船舶上的人或岸上的人的提醒也無法接收到。伴隨著二戰(zhàn)期間雷達的出現(xiàn)，厘米波的普及，無線電頻譜才終于得到了更為充分的利用【9】。如今，運行不同軌道中的數(shù)以千計的衛(wèi)星正負載著通信天線，就猶如土星光環(huán)圍繞著土星那樣，衛(wèi)星圍繞著地球；地面系統(tǒng)裝有的天線陣探測器已經可以訪問太陽系中的其他一些行星；而飛機及船舶隨身攜帶天線可為其出行提供了必不可少通信系統(tǒng)。隨著人類逐漸向太空擴展活動，對天線的高需求也將增長到一個史無前例的程度，總之，在未來的生活中天線將擔任著越來越重要的角色【10】。1.4論文的主要內容本課題利用惠更斯等效原理，通過m

13、atlab編程方法，研究口徑面的遠區(qū)輻射場，包括矩形平面口徑、圓形口徑以及喇叭天線?？趶矫嫔系膱鰪姺植伎煞譃榈确辔痪鶆蚍植寂c相位余弦分布，也可分為不等幅的情況。隨著無線電技術使用的頻段擴展到微波波段后,微波中繼、雷達、衛(wèi)星通信、遙控等技術也得到了迅速發(fā)展。雖然它們對微波天線相繼提出了各種不同的要求, 但它們有一個重要共同點, 就是都要求有著銳方向性幅射和接收。而目前在工程實際中, 想要微波天線產生銳方向性波束,只有2種方法。采用天線陣或用口徑面天線（簡稱面天線）。本論文通過推導出的解析公式，結合matlab編程研究面天線的輻射方向特性，探討其規(guī)律性，具有一定的工程應用意義。1.5主要章節(jié)安

14、排 首先就課題研究的背景和意義做出說明。第1章總體的介紹了下開選題背景、意義及研究現(xiàn)狀。第2章主要介紹了天線的基本理論，增益天線的概述與分類以及主要技術指標，在第2章最后還簡單的介紹了matlab的應用。第3章主要介紹了矩形平面口徑方向特性、矩形口徑的立體方向圖、平面口徑的歸一化方向圖以及同相平面的增益變化。第4章主要介紹了非同向平面口徑的方向特性。第5章主要介紹了均勻喇叭天線的方向特性及增益變化。文末對全文的成果加以總結，討論了平面天線中的若干難題及對進一步研究的展望。第2章 天線的基本理論2.1 增益天線的概述與分類2.1.1 增益天線的概述 當今社會，在無線電設備的價格越來越低的趨勢下，

15、很多人的家里或者企業(yè)里都裝上了無線網絡，對于個人或者企業(yè)來說，大大的提供了便利。不過，隨著區(qū)域的越來越大，無線網絡逐漸變得不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸受阻等問題開始出現(xiàn)。那么，怎樣才能解決這些棘手的問題呢?如果更換網絡設備需要的花費比較大，從節(jié)約的角度上講，浪費資源，從而更換、加裝增益天線從而成為了既經濟又最合實際的做法。 增益的定義是指定方向上的最大輻射強度和天線最大輻射強度比值，也就是天線功率放大的倍數(shù)。在通常情況下，增益的強弱將直接影響天線輻射和天線接收無線信號能力。因此，在相等條件下，增益越高，無線信號傳播距離就越遠，無線電信號越好。增益越低，無線信號傳播距離就越近，無線電信號越差。增益的單位為d

16、Bi，室內天線大多為4dBi5dBi，室外天線大多為8.5dBi14dBi。在通常情況下，因為增益的大小直接影響帶寬的大小，它們是成反比的。即其增益越大，帶寬越窄;其增益越小，帶寬越大。所以，較大增益天線主要運用在遠距離傳輸?shù)淖饔蒙希^小增益天線就更適合應用于在無線信號覆蓋范圍比較大的環(huán)境里。目前，在無線網絡的應用中，天線有兩種。即點對點和點對多點的應用。用戶可根據(jù)需要來選購不同類型的無線天線，使無線信號能夠更好地被各個無線設備接收和發(fā)送。2.1.2 增益天線的分類 無線天線可分為全向天線、定向天線、扇形天線、平板天線等種類。其中全向天線適合短距離的傳送，但要運用在很多無線設備及客戶端的場合

17、，不過這些無線設備大部分增益比較小并且傳輸距離有限。而定向天線又包括八木定向天線、角型定向天線、拋物面定向天線等類型，它們適合在無線設備相距較遠并且無線接入點比較集中但數(shù)量較少，位置固定的條件下。這種天線具有長距離傳輸、匯聚能量能力強的特點。扇形天線的特點是它可以多角度的覆蓋，如果無線的接入點集中在此天線的覆蓋范圍之內，可考慮選購此類天線，它具有較好的定向和較強的匯聚能量功能。平板天線的特點是角度范圍是30度和15度，它比扇形天線信號覆蓋范圍更小，但是它的能量匯聚能力最強，可在無線接入點相對比較遠、更集中的環(huán)境中運用。2.1.3增益天線全向天線全向天線，是指天線于水平面上的輻射和接收時沒有最大

18、的方向。因為輻射和接收時無方向性，所以這種天線裝起來較方便，無需考慮傳輸點的天線安裝角度的技術。不過全向天線是沒有最大方向地，它的天線增益相對比較低，這就導致了無線信號傳輸距離也比較短。因此，這類天線比較適合短距離傳輸?shù)狞c對多點環(huán)境下使用。例如，在對等網絡和無線漫游網絡的中心無線AP上使用此類天線，通過中心無線AP，可以均勻地將無線信號傳輸?shù)骄W絡中的各個角落。2.1.4增益天線定向天線 比起全向天線，定向天線方向性較強，因此它的能量集中，增益也相對較高，信號傳輸距離也比較遠，抗干擾能力較強，更適合于長距離點對點的通信。全向天線和定向天線相比，有優(yōu)點也有缺點，前者的缺點在于它的信號覆蓋范圍小，天

19、線的安裝和調整時難度較大，兩個傳輸點的天線必須相互對準才能保證信號的傳輸。在一般情況下，如果無線網絡環(huán)境中只有兩臺計算機需要進行無線通訊，或者計算機需要和無線路由器、無線AP進行無線通訊，那么定向天線就是最佳選購。因為此時的計算機使用的是點對點的無線傳輸方式，使用定向天線完全可以讓用戶獲得極佳的無線傳輸質量。除了上述內容外，大家在判斷或選購某款天線時，還要了解天線的工作頻率。不同工作頻率的天線適合于在不同的無線設備上使用，例如工作在2.4GHz 頻段下的天線才能供那些11Mbps或54Mbps的無線產品使用。同時，天線還有室內使用和室外使用的差別，這也是在實際應用中需要注意的。2.2天線在通信

20、系統(tǒng)中的應用2.2.1通訊天線領域： 在移動通訊系統(tǒng)中，天線作為基站至關重要的組成部分，天線性能的好與壞直接關系到通訊系統(tǒng)的通信質量，從而影響手機通信終端接收信號的效果，最終影響到手機的通信質量與網絡傳輸速度。由于移動通信系統(tǒng)中基站的位置相對固定，用戶數(shù)量眾多，所以基站在選擇他的配置天線時應具有以下要求： 1、 通訊天線應該具有很高的增益；2、 天線輻射方向應該覆蓋整個服務區(qū)；3、 天線能夠工作在多個頻段并具有很高的帶寬；4、 天線與收發(fā)設備之間應具有良好的阻抗匹配；5、 通訊手機的體積盡可能小，結構盡可能緊湊；6、 天線多采用線極化，基站天線應該是具有高增益的全向天線。移動通信技術的迅速發(fā)展

21、與應用，極大的推動了手機天線向多頻段、寬頻帶、多用途、小型化的方向發(fā)展，現(xiàn)在的手機天線多采用單鞭天線、微帶天線、倒F天線、螺旋天線以及各種小天線組成的陣列。2.2.2電視天線 在中國，電視廣播使用的頻率范圍為112頻道，VHF頻段48.5223MHz, 1368頻道，UHF頻段470956MHz，為了擴大電視臺的服務區(qū)域，電視天線的發(fā)射天線必須架在高大建筑物的頂端或專用的鐵塔上，為了節(jié)省電磁波能量，一般電視天線都設置在城市中心，其中數(shù)位電視天線要求更為嚴格，在我國，電視天線采用的極化方式是水平極化，常用的電視發(fā)射天線有旋轉場天線、蝙蝠翼天線和反射板偶極天線陣，而在客戶終端，多采用八木天線、V形

22、天線、對數(shù)周期天線以及反射面天線，反射面天線也就是人們通俗上說的“大鍋天線”?，F(xiàn)在汽車電視也越來越多，車載電視天線的需求也會不斷增加，車載數(shù)位電視天線的特點待后期研討。2.2.3雷達天線 常用于飛機、艦船、航天飛機、車輛等，常用的有反射面天線、波導裂縫陣列天線與相控陣天線。2.3天線的主要技術指標1. 電壓駐波比（VSWR） VSWR在移動通信蜂窩系統(tǒng)的基站天線中，其最大值應小于或等于1.5:1。若表示天線的輸入阻抗， 為天線的標稱特性阻抗，也可以用回波損耗表示端口的匹配特性， VSWR=1.5:1 時，R.L.=-13.98dB。 當天線的輸入阻抗和特性阻抗不相同時，產生反射波、入射波于饋線

23、上疊加產生形成駐波，其相鄰的電壓最大值與最小值的比值，即是電壓駐波比。如果電壓駐波比值過大，將縮短通信之間的距離，而且反射功率也返回到發(fā)射機功放的部分，這就容易照成燒壞功放管，從而影響通信系統(tǒng)間的正常工作。2. 前后比（F/B） 天線的后向（180°±30°）以內副瓣電平和最大波束間的差值，用正值表示。一般情況下，天線的前后比在1845dB之間。而對于密集的市區(qū)，要積極采用前后比較大的天線，如40dB。3. 回波損耗 指在天線的接頭處的反射功率與入射功率的比值?；夭〒p耗反映了天線的匹配特性。4. 功率容量 功率容量一般是指天線的平均功率容量，其中包括匹配、平衡和移

24、相等耦合裝置，但是它所能承受的功率是有限的，再考慮到基站天線的實際最大輸入功率（單載波的功率為20W),若天線的一個端口最多輸入六個載波，則天線的輸入功率為120W,因此天線的單端口功率容量應大于200W（環(huán)境溫度為65時）。5. 天線增益 增益是天線系統(tǒng)的最重要參數(shù)之一，天線增益的定義與全向天線或半波振子天線有關。全向輻射器是假設在所有方向上都輻射等功率的輻射器，在某一方向的天線增益是該方向上的場強。2.4 Matlab在天線的設計中應用 自從Matlab語言問世以來,發(fā)展至今已經變成一種最具有吸引力，應用最為廣泛的計算數(shù)值語言。尤其是在微積分，線性方程組及非線性方程組的解法以及特征值等等領

25、域和常微分方程解法和圖形輸出的方面具有強大的功能。且這些功能也恰恰是解算微波的方程和進行天線的設計問題中最迫切需要解決的難題。而怎么樣把Matlab語言應用于天線設計中，這還需要進行一些摸索和嘗試。 Matlab語言進行數(shù)值計算的基本處理單位為復數(shù)的數(shù)組(陣列),而且數(shù)組的維數(shù)是自動按照規(guī)則確定的,這樣既可讓Matlab程序被高度到向量化0,又可方便用戶對它的讀寫。在數(shù)學計算可能出現(xiàn)的一些問題,必需要用到多次循環(huán)語句才能實現(xiàn),這樣不但使程序變得復雜,而且又大大的浪費了計算時間。而MATLAB解決上訴問題則簡單多了,它只要一個簡單的命令語句,就可以實現(xiàn)用多次循環(huán)語句才能實現(xiàn)的計算結果。運用Mat

26、lab語言能把很多復雜的函數(shù)運算變成數(shù)組計算,它可以通過其強大的數(shù)組運算功能來簡化運算過程。另外,天線設計中一般都需要進行設計仿真計算,來驗證設計輸出的口面場分布能否形成預定的方向圖,以及各個輻射源的互耦或加工公差產生的微擾對方向圖會產生什么樣的影響。只有通過仿真計算,設計師們才能給出合理的公差控制范圍。在天線的方向圖仿真計算中,如果用其他計算機語言進行編程計算，則程序十分復雜，一般也只能輸出二維的方向圖圖形。若要輸出三維的方向圖圖形,就必須具備高超的編程技巧,而這對于天線設計工作者來說是比較困難的。運用MATLAB語言,只需要短短幾條語句即可解決問題。可見，MATLAB語言對于圖像輸出的優(yōu)勢

27、是十分明顯的。第3章 矩形口徑天線的方向特性的研究3.1面天線、惠更斯原理和等效原理3.1.1面天線結構如圖3-1，面天線通常由金屬面S1和初級輻射源組成。 圖3-1 面天線結構圖 3.1.2等效原理 設包圍天線的封閉曲面由金屬面的外表面S1和金屬面的口徑面S2共同組成，S1為金屬面的外表面，它的場強為零，于是面天線的輻射問題就轉化為口徑面S2的輻射。 由于存在著口徑場ES和HS，根據(jù)惠更斯原理(Huygens Principle)，將口徑面S2分割成許多面元，這些面元稱為惠更斯元或二次輻射源。所有惠更斯元的輻射之和即得到整個口徑面的輻射場。當由口徑場求解輻射場時，每一個面元的次級輻射可用等效

28、電流元與等效磁流元來代替，口徑場的輻射場就是由所有等效電流元（等效電基本振子）和等效磁流元（等效磁基本振子）所共同產生的。這就是電磁場理論中的等效原理(Field Equivalence Theorem)。3.1.3惠更斯元的輻射圖3-2 惠更斯元的輻射設平面口徑面（xOy面）上的一個惠更斯元(如圖3-2)ds=dxdyen，其上有著均勻的切向電場Ey和切向磁場Hx。根據(jù)等效原理，面元上的等效面電流密度為 相應的等效電基本振子電流的方向沿y軸方向，其長度為dy，數(shù)值為 因此惠更斯元的輻射和相互正交放置的等效電基本振子和等效磁基本振子的輻射場之和是可相互轉換的。3.2 矩形平面口徑天線的基本理論

29、3.2.1方向系數(shù)對于同相平面口徑，最大輻射方向一定發(fā)生在=0處，為天線輻射功率，即整個口徑面向空間的輻射功率，如下圖3-1，在一個邊長為a*b的矩形口徑面S上建立一個坐標系， 圖3-2-1矩形口徑面及其坐標系 在其M面（yoz平面），在此平面內電基本振子產生的輻射場為磁基本振子產生的輻射場為于是，惠更斯元在M平面上的輻射場為 即其N面（xoz平面）輻射場為磁基本振子產生的輻射場為 于是，惠更斯元在N平面上的輻射場為即當口徑場My為均勻分布，即My=M0時，引入 則兩個主平面的方向函數(shù)為同理得出當口徑場My為余弦分布，即假設滿足如下條件時，則兩個主平面的方向函數(shù)為計算程序見附件。計算結果圖3-

30、2-1 矩形口徑極坐標和平面直角坐標方向圖從上圖可以看出，在均勻分布口徑場里，當時，增益最大，口徑越小，我們可以改變其一邊長，再來看看其增益的變化。當a=5,b=3時，運行結果如下圖圖3-2-2 矩形口徑極坐標和平面直角坐標方向圖 當a=8,b=3時，運行結果如下圖 圖3-2-3 矩形口徑極坐標和平面直角坐標方向圖由圖可以比較出，當一邊邊長b逐漸變大時，M面上高增益其逐漸變小，增益變差。當值達到1000時，增益基本上沒有。當a=2,b=3時，它的均勻口徑面的半功率波瓣寬度在值達到200處，余弦口徑的半功率波瓣寬度在的值為250處。當a=5,b=3時，它的均勻口徑面的半功率波瓣寬度在值達到170

31、處，余弦口徑的半功率波瓣寬度在的值為180處。當a=8,b=3時它的均勻口徑面的半功率波瓣寬度在值達90處，余弦口徑的半功率波瓣寬度在的值為100處。綜上所訴，當矩形口徑改變其幾何參數(shù)（即改變其一邊長），當邊長逐漸變大時它的半功率波瓣寬度逐漸變小，增益變小。所以矩形均勻口徑適合做中低型增益天線。3.3矩形口徑的立方向圖增益變化在3.1中，均勻矩形口徑的增益隨越小而變大。實際上，它不僅是沿二維方向輻射，而是在各個方向都有輻射，下面就用三維坐標系來清楚的表示。計算三維坐標仿真程序見附錄。通過matlab仿真，得出以下幾個三維圖：圖3-3-1 矩形口徑立體方向圖圖3-2-2 矩形口徑等電場方向圖 圖

32、3-2-3 矩形口徑立體方向圖圖3-2-4 矩形口徑等電場方向圖 由矩形口徑的立體方向圖（均勻分布）和矩形口徑的等電場方向圖（均勻分布）可以看出矩形口徑的場強方向特性是完全均勻的，在余弦分布時，由矩形口徑的立體方向圖（余弦分布）和矩形口徑的等電場方向圖（余弦分布）可以看出，它的場強方向特性是有余弦變化規(guī)律的，從而從側面表達了矩形口徑場強特性方向是均勻的。3.4平面口徑歸一化方向圖增益變化3.4.1矩形同相平面口徑 在3.1中，矩形同相平面口徑情況下，如果口徑場My為均勻分布，My=M0，則兩個主平面的方向函數(shù)為 其惠更斯元歸一化方向圖為圖3-4-1 惠更斯元歸一化方向圖 當口徑場為余弦分布，即

33、假設滿足如下條件時， 則兩個主平面的方向函數(shù)為其中，式中，a和b分別為矩形口徑的長和寬；為射線與口徑法線之間的夾角；，為相移常數(shù)，但通?？趶匠叽邕h大于波長，則 ，上述各式可以簡化為與和的關系。3.4.2圓形同相平面口徑 在圓形同相平面口徑情況下，如果口徑場分布均勻，則兩個主平面方向函數(shù)為式中，為一階貝賽爾函數(shù)，；a為口徑半徑。由于口徑尺寸遠大于波長,上述近似成立。 當口徑場分布為沿半徑方向呈錐削狀分布時，口徑場一般可以擬合為式中，Q為口徑場分布指數(shù)，Q=.,-3,-2,-1,0，1，2，3，.。P=0，對應于均勻口徑場分布；絕對值P值越大，意味著錐削越嚴重，口徑場分布越不均勻。 圖3-4-2

34、錐削口徑的分布圖Q=0時， Q=-1時，Q=-2時，其中，分別為一階、二階、三階貝塞爾函數(shù)。 以下程序是根據(jù)錐削口徑分布特征實現(xiàn)平面口徑方向特性的函數(shù)：%計算平面口徑的歸一化方向圖clear all;Qsi=linspace(eps,10,100);MM1=abs(sin(Qsi)./Qsi);MM2=abs(cos(Qsi)./(1-(2/pi*Qsi).2);MM3=abs(2*bessel(1,Qsi)./Qsi);figure(1);plot(Qsi,MM1,'k');hold on;plot(Qsi,MM2,'-b');hold on;plot(Qsi

35、,MM3,'-.r');xlabel('Qsi');ylabel('|F(Qsi)|');grid on;hold off;title('平面口徑的方向函數(shù)');計算結果圖為圖3-4-3 平面口徑的方向函數(shù) 由圖3-4-3可見，在口徑場均勻分布時，Qsi在=0時增益幅度最大，Qsi的絕對值越大，其增益幅度越小。 惠更斯元的最大輻射方向與其本身垂直。如果平面口徑由這樣的面元組成，而且各面元同相激勵，則此同相口徑面的最大輻射方向勢必垂直于該口徑面。3.5同相平面口徑場輻射特征 綜合對不同口徑場輻射場的分析以及相應的數(shù)值計算，對同相口徑

36、場而言，可歸納出如下的重要結論： 平面同相口徑的最大輻射方向一定位于口徑面的法線方向；在口徑場分布規(guī)律一定的情況下，口徑面的電尺寸越大，主瓣越窄，方向系數(shù)越大； 當口徑電尺寸一定時，口徑場分布越均勻，其面積利用系數(shù)越大，方向系數(shù)越大，但是副瓣電平越高； 口徑輻射的副瓣電平以及面積利用系數(shù)只取決于口徑場的分布情況，而與口徑的電尺寸無關。 第4章 非同相平面口徑4.1相位偏移對口徑輻射場的輻射 由于天線制造或安裝的技術誤差，或者為了得到特殊形狀的波束或實現(xiàn)電掃描，口徑場的相位分布常常按一定的規(guī)律分布。假設口徑場振幅分布仍然均勻，常見的口徑場相位偏移有如下幾種： (1)直線律相位偏移 (2)平方律相

37、位偏移 (3)立方律相位偏移4.2 平方率向位偏移對矩形口徑方向圖的影響 當球面波或柱面波投射到平面口徑上時，將產生近似的平方率的相位偏移。假設口徑場振幅分布仍然均勻，而相位偏移遵循如下規(guī)律： 式中，為口徑場的振幅，a為矩形口徑沿x方向的邊長，為口徑面上的x坐標，為最大相位偏移量。則求得N面上方向函數(shù)為計算程序見附錄：圖4-2-1 平方律相位偏移的矩形口徑方向圖計算結果為： 由圖4-2-1可以看出，當=0時，它的的半功率波瓣寬度是10,；當時，它的的半功率波瓣寬度是12；當時，它的的半功率波瓣寬度是55?？梢钥闯?，隨著的值變大，它的半功率波瓣寬度逐漸變大。因此平方律相位偏移帶來了零點模糊、主瓣

38、展寬、主瓣分裂以及方向系數(shù)下降，所以在天線設計中應力求避免。4.3 立方率相位偏移矩形口徑方向圖 在口徑天線中很難遇到純粹的立方率相位偏移，它通常與均勻和線性相位偏移同時發(fā)生。比如在拋物面天線中，當饋源橫向偏焦時，口徑面上將產生線性和立方率相位偏移，在口徑邊緣處會出現(xiàn)最大立方相差。 假設，口徑場振幅均勻，而相位偏移遵循如下規(guī)律： 其中，為口徑場的振幅，a為矩形口徑沿x方向的邊長，為口徑面上的x坐標，為最大相位偏移量。則用該式求得N平面的方向函數(shù)為計算程序見附件：計算結果為：圖4-3-1 立方率偏移對口徑方向圖的影響 由圖4-3-1可以看出，立方律相位偏移不僅產生了最大輻射方向偏轉，而且還會導致

39、方向圖不對稱，在主瓣的一側產生了較大的副瓣，對雷達而言，此種情況極易混淆目標。所以這種天線常運用于軍事。第5章 喇叭天線5.1 喇叭天線的概述 在微波的波段，利用的是各種波導來傳輸電磁波能量的。而一般采用的波導是矩形波導和圓形波導。將波導終端開口構成波導輻射器。為了增大增益，壓榨方向圖和得到較好的方向性，需要來增大波導輻射器的口面半徑面積。將波導終端做成逐漸張開的形狀，就是喇叭天線。 喇叭天線除可大量用于反射面天線饋源外，相控陣天線的常用單元天線也經常用這種天線，還可用作為對其它高增的益天線進行增益校準測試通用的標準。 喇叭天線優(yōu)點是具有結構簡單、饋電簡便、頻帶較寬、功率容量大和高增益的整體性

40、能。 如圖5-1-1，是一個喇叭天線。它是由一段均勻波導和一段喇叭組成。喇叭是逐漸張開的波導，終端開口。喇叭內電磁場的分布，從喇叭頸部到開口處逐漸變化。在喇叭的頸部即喇叭與波導連接的地方，因為它的導體壁是不連續(xù)的，所以會出現(xiàn)高次模。當喇叭橫截面尺寸變化不明顯時即喇叭的張角比較小，喇叭開口面上場分布與波導內截面上場分布差異不大，高次模弱?；旧现挥兄髂Ｑ刂▽鞑?。喇叭界面逐漸張開，可以改善與自由空間匹配。喇叭天線分為矩形喇叭和圓錐喇叭，而矩形喇叭天線又分為H面扇形喇叭、E面扇形喇叭和角錐喇叭。圖5-1-1 喇叭天線示意圖 5.2 E面喇叭和角錐喇叭的通用E面方向圖 在圖5-1中，、分別為E面長

41、和H面的長度；a、b為波導的寬邊和窄邊長度；、為相應的口徑尺寸。當時，構成楔形角錐喇叭；當時，構成尖頂角錐喇叭；當或時，構成E面喇叭；當或時，構成H面喇叭。而喇叭天線的口徑場可近似由矩形波導至喇叭結構波導的相應截面的波導場來決定。如果忽略波導連接處及喇叭口徑處的反射并假設矩形波導內只傳輸模式，則喇叭內場結構可以近似看作與波導的內場結構相同，只是由于喇叭逐漸張開，所以扇形喇叭內傳輸?shù)臑轳v面波，尖頂角錐喇叭內傳輸?shù)慕茷榍蛎娌?，因此在一級近似的條件下，喇叭口徑上場的相位分布為平方率，角錐喇叭口徑場為 將上述口徑場分布的表達式帶入下式，即可求出角錐喇叭的E面和H面的輻射場，并根據(jù)方向函數(shù)的定義，可得

42、到相應平面的方向圖。 計算中引入參數(shù)s和t，分別表示了喇叭口徑的E面和H面的相位偏移長度，s、t越大，相位偏移越嚴重。計算程序見附件：計算結果如圖5-2-1，圖5-2-1 E面喇叭和角錐喇叭的通用方向圖 5.3方向圖分析由5-2-1以看出，參數(shù)s、t反映了喇叭口徑的E、H面的相位偏移的嚴重程度。s、t越大，相位偏移越嚴重，方向圖上零點消失，主瓣變寬。=0°方向不再是最大輻射方向，呈現(xiàn)出馬鞍形狀態(tài)，而這是不希望看到的。為了獲得較好的方向圖，工程上通常規(guī)定E面允許的最大相差為H面允許的最大相差為 由于H面的口徑場為余弦分布，邊緣場幅小，所以mH可大于mE。5.4角錐喇叭的方向系數(shù)圖分析

43、在角錐喇叭中，E面喇叭方向系數(shù)圖如下圖5-51，H面喇叭方向系數(shù)圖如下圖5-52，在喇叭長度一定的條件下，起初增大口徑尺寸可以增大口徑面積，進而增大了方向系數(shù)，但是當口徑尺寸增大到超過某定值后，繼續(xù)再增大口徑尺寸，方向系數(shù)反而減小。這表明扇形喇叭存在著最佳喇叭尺寸。最佳尺寸即為E面和H面分別允許的最大相差尺寸：而滿足最佳尺寸的喇叭稱為最佳喇叭。5.4.1最佳喇叭方向系數(shù)最佳扇形喇叭的面積利用系數(shù)=0.64，所以其方向系數(shù)為最佳角錐喇叭的面積利用系數(shù) =0.51，其方向系數(shù)為 因此，如果設計喇叭天線時，首先根據(jù)工作帶寬，選擇合適的波導尺寸。如果給定了方向系數(shù)，則根據(jù)方向系數(shù)曲線，將喇叭天線設計成

44、最佳喇叭天線。對于角錐喇叭，還必須做到喇叭與波導在頸部的尺寸配合。必須使 RE=RH=R。 第6章 總結和展望 平面口徑天線（矩形口徑天線、圓形口徑天線）和喇叭天線廣泛的應用于通信領域中，因此，研究其最佳場強的方向特性對于開發(fā)研制高性能天線是很有意義的。本文主要研究了這幾種天線的方向特性，對實驗結果和仿真數(shù)據(jù)進行比較，得出場強的最佳方向。在課題的研究過程中，本人主要做了一下工作： 1、查找了至今與平面口徑、圓形口徑天線和喇叭天線有關的資料，作為本次研究課題的參考資料 。 2、學習此次要使用的Matlab仿真軟件，并對要研究的幾種天線進行仿真，通過改變其幾何參數(shù)，驗證結論的正確性。 3、掌握常用

45、口徑場的解析計算公式。 4、通過編程計算一些口徑場的遠區(qū)輻射場、方向系數(shù)和增益系數(shù)，重在比較不同口徑遠區(qū)輻射場強的差異性，說明應用。 由于時間問題，以及自己的重視水平有限，并沒有將幾種天線的所有情況都列舉出來，而且許多問題。仿真結果與理論值大致吻合，誤差較小。通過實際仿真，基本能夠符合理論值。驗證了結論的正確性。致謝 經過幾個月的努力，畢業(yè)設計工作終于結束了，這是在我的導師王琪教授的精心指導和悉心的關心下完成的。由于本人缺乏經驗，難免有許多考慮不周之處，也由此在設計過程遇到了許許多多的難題。王琪教授的不厭其煩的講解下，是我這次畢業(yè)設計能取得圓滿成功的保證。同時也要感謝大學四年傳授我各種知識的所

46、有老師。謝謝你們嘔心瀝血的教導與栽培，因為本次設計是建立在你們所教授課程的基礎上完成的，沒有你們，我的起步將舉步艱難。還有謝謝周圍的同學朋友，是他們給了本人無數(shù)的關心和幫助，很多時候，設計過程中遇到的眾多小問題都是在和他們的研究和討論中解決的。如果沒有他們的幫助，此次畢業(yè)論文的完成將變得異常困難。最后，感謝本人的父母。謝謝他們給本人無私的愛，以及在我求學過程中自始至終的支持。 * * * 2013 年 6 月參考文獻1、 Warren L. Stutzman, Gary A. Thiele. Antenna Theory and DesignM. John Wilet & Sons,

47、Inc. 19982、 C. Jerald Buchenauer, J. Scott Tyo and Jon S. H. Schoenberg. Prompt Aperture Efficiencies of Impulse Radiating Antennas With Arrays as an ApplicationJ. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 20113、 美塞吉. N. 馬卡洛夫. 許獻國譯. 通信天線建模與Matlab仿真分析M. 北京：北京郵電大學出版社. 2006 4、美國業(yè)余無線電轉播聯(lián)盟，左群聲等譯. 無線

48、通信天線手冊M.北京：國防工業(yè)出版社. 20045、宋錚等. 天線與電波傳播（第二版）學習指導M. 西安電子科技大學出版社. 20116、王志雄, 方重華, 劉振吉. 圓口徑天線遠場分析J. 裝備環(huán)境工程. 2009, 6(2): 82-857、張浩斌, 郭陳江, 許家棟. 任意口徑天線輻射場的計算J. 航空電子技術. 20038、KIM J J and KESLER O B. Performance analysis of radar antenna sy stemsJ. IEEE AES Systems Mag a zine, 19999、張浩斌，郭陳江，許家棟.任意口徑天線輻射場計算D.

49、 電子科技大學碩士論文. 西北工業(yè)大學電子工程系,2003 10、羅烜. 共形/共口徑天線的研究D. 電子科技大學碩士論文. 2011附件3.2計算程序：clear all;clc;a=2; %a邊的長度b=3; %b邊的長度theta=linspace(-pi,pi,180);FM_u=abs(1+cos(theta)/2.*sin(pi*b*sin(theta)./(pi*b*sin(theta);FN_u=abs(1+cos(theta)/2.*sin(pi*a*sin(theta)./(pi*a*sin(theta);FM_c=abs(1+cos(theta)/2.*sin(pi*b*

50、sin(theta)./(pi*b*sin(theta);FN_c=abs(1+cos(theta)/2.*sin(pi*a*sin(theta)./(1-(2/pi*(pi*a*sin(theta).2);figure(1);plot(theta*180/pi, FM_u,'k');xlabel('theta');ylabel('Ntheta');grid on;axis(-180 180 0 1);hold on;plot(theta*180/pi,FN_u,'-r');hold on;plot(theta*180/pi,FN

51、_c,'-.b');hold off;legend('M面','N面(均勻口徑)','N面(余弦分布)');title('矩形口徑兩平面的直角坐標方向圖');figure(2);polar(theta,FM_u,'k');hold on;title('矩形口徑的E面極坐標方向圖');polar(theta,FN_u,'-r');hold on;polar(theta,FN_c,'-.b');hold off;legend('M面',&#

52、39;N面(均勻口徑)','N面(余弦分布)');3.3計算程序：%計算均勻相位分布和余弦相位分布時矩形口徑的立體方向圖clear all;clc;a=2; %a邊的電長度b=3; %b邊的電長度theta=meshgrid(-pi/2+1e-10:pi/180:pi/2+1e-10);phi=meshgrid(-pi/2+1e-10:pi/180:pi/2+1e-10)'MM_u=abs(1+cos(phi)./2.*sin(pi*b*sin(phi)./(pi*b*sin(phi);MN_u=abs(1+cos(theta)./2.*sin(pi*a*sin

53、(theta)./(pi*a*sin(theta);M_u=MM_u.*MN_u;figure(1);mesh(theta*180/pi,phi*180/pi,M_u);xlabel('theta');ylabel('phi');zlabel('M(theta,phi)');title('矩形口徑的立體方向圖(均勻分布)');figure(2);contour(theta*180/pi,phi*180/pi,M_u,30);axis(-90 90 -90 90);axis equal;xlabel('theta');ylabel('phi');title('矩形口徑的等電場方向圖(均勻分布)');MM_u=abs(1+cos