vc繪制天線方向圖

1、題 目： VC+繪制天線輻射方向圖 學(xué) 院： 信息工程學(xué)院 分 組： 4 成 員： 鐘信星（） 張紅梅（） 指導(dǎo)老師： 張 曉 燕 提交日期：2014年6月30日電磁場與計算機(jī)輔助設(shè)計期末課程設(shè)計數(shù)據(jù)提交： 論文 PPT 程序代碼 考查成績分組：（4） 姓名： 鐘信星 分工： 程序編寫、答辯 評分標(biāo)準(zhǔn)論文撰寫工作量答辯質(zhì)量團(tuán)隊合作總分分值10502020100得分分組：（4） 姓名： 張紅梅 分工： 公式推導(dǎo)、論文撰寫 評分標(biāo)準(zhǔn)論文撰寫工作量答辯質(zhì)量團(tuán)隊合作總分分值10502020100得分分組：（X） 姓名： XXX 分工： 例如：程序編寫、文獻(xiàn)調(diào)研、論文撰寫 評分標(biāo)準(zhǔn)論文撰寫工作量答辯質(zhì)量

2、團(tuán)隊合作總分分值10502020100得分第一章 天線介紹天線是一種用來發(fā)射或接收無線電波或更廣泛來講電磁波的電子器件。天線應(yīng)用于廣播和電視、點對點無線電通信、雷達(dá)和太空探索等系統(tǒng)。天線通常在空氣和外層空間中工作，也可以在水下運行，甚至在某些頻率下工作于土壤和巖石之中。從物理學(xué)上講，天線是一個或多個導(dǎo)體的組合，由它可因施加的交變電壓和相關(guān)聯(lián)交變電流而產(chǎn)生輻射的電磁場，或者可以將它放置在電磁場中，由于場的感應(yīng)而在天線內(nèi)部產(chǎn)生交變電流并在其終端產(chǎn)生交變電壓。基于特定三維（通常指水平或垂直）平面，可以把天線分為兩大基本類型：全向天線（在平面中均勻輻射）；定向天線（又稱指向天線，在某方向輻射較多）。在

3、自由空間內(nèi)，任何天線都向各個方向輻射能量，但是特定的架構(gòu)會使天線在某個方向上獲得較大方向性，而其它方向的能量輻射則可以忽略。通過增加附加導(dǎo)體棒或線圈（稱之為單元）并改變其長度、間距和方位（或者改變天線波束方向），可以制造出擁有既定特性的天線，如八木天線?！疤炀€陣列”或“天線陣”是指相當(dāng)數(shù)量的有源天線共用源或負(fù)載來產(chǎn)生定向的天線輻射方向圖。天線的空間關(guān)系通常也會影響其方向性?！坝性磫卧笔侵复颂炀€單元的能量輸出由該單元內(nèi)部的能量源所決定（而不是僅由通過電路的信號能量）或者該單元能量輸出的能量源由信號輸入所控制?！疤炀€引入線”是在信號源和有源天線之間傳輸信號能量的傳導(dǎo)裝置（如傳輸線或饋線）。它由有

4、源天線延伸出來直達(dá)源。“天線饋電”則是指有源天線和放大器之間的元件。影響天線性能的臨界參數(shù)有很多，通常在天線設(shè)計過程中可以進(jìn)行調(diào)整，如諧振頻率、阻抗、增益、孔徑或輻射方向圖、極化、效率和帶寬等。另外，發(fā)射天線還有最大額定功率，而接收天線則有噪聲抑制參數(shù)。諧振頻率：“諧振頻率”和“電諧振”與天線的電長度相關(guān)。電長度通常是電線物理長度除以自由空間中波傳輸速度與電線中速度之比。天線的電長度通常由波長來表示。天線一般在某一頻率調(diào)諧，并在此諧振頻率為中心的一段頻帶上有效。但其它天線參數(shù)（尤其是輻射方向圖和阻抗）隨頻率而變，所以天線的諧振頻率可能僅與這些更重要參數(shù)的中心頻率相近。天線可以在與目標(biāo)波長成分?jǐn)?shù)

5、關(guān)系的長度所對應(yīng)的頻率下諧振。一些天線設(shè)計有多個諧振頻率，另一些則在很寬的頻帶上相對有效。最常見的寬帶天線是對數(shù)周期天線，但它的增益相對于窄帶天線則要小很多。天線設(shè)計中，“增益”指天線最強輻射方向的天線輻射方向圖強度與參考天線的強度之比取對數(shù)。如果參考天線是全向天線，增益的單位為dBi。比如，偶極子天線的增益為2.14dBi。偶極子天線也常用作參考天線（這是由于完美全向參考天線無法制造），這種情況下天線的增益以dBd為單位。天線增益是無源現(xiàn)象，天線并不增加激勵，而是僅僅重新分配而使在某方向上比全向天線輻射更多的能量。如果天線在一些方向上增益為正，由于天線的能量守恒，它在其他方向上的增益則為負(fù)。

6、因此，天線所能達(dá)到的增益要在天線的覆蓋范圍和它的增益之間達(dá)到平衡。比如，航天器上碟形天線的增益很大，但覆蓋范圍卻很窄，所以它必須精確地指向地球；而廣播發(fā)射天線由于需要向各個方向輻射，它的增益就很小。方向圖：是指離天線一定距離處，輻射場的相對場強隨方向變化的曲線圖，通常采用天線最大輻射方向上的兩個相互垂直的平面方向圖表示。輻射方向圖則是表示增益的三維圖，但通常只考慮輻射方向圖的水平和垂直二維截面。高增益天線輻射方向圖常伴有“副瓣”。副瓣是指增益中除主瓣（增益最高“波束”）外的波束。副瓣在如雷達(dá)等系統(tǒng)需要判定信號方向的時候，會影響天線質(zhì)量，由于功率分配副瓣還會使主瓣增益降低。帶寬：天線的帶寬是指它

7、有效工作的頻率范圍，通常以其諧振頻率為中心。天線帶寬可以通過以下多種技術(shù)增大，如使用較粗的金屬線，使用金屬“網(wǎng)籠”來近似更粗的金屬線，尖端變細(xì)的天線元件（如饋電喇叭中），以及多天線集成的單一部件，使用特性阻抗來選擇正確的天線。小型天線通常使用方便，但在帶寬、尺寸和效率上有著不可避免的限制。阻抗：“阻抗”類似于光學(xué)中的折射率。電波穿行于天線系統(tǒng)不同部分（電臺、饋線、天線、自由空間）是會遇到阻抗差異。在每個接口處，取決于阻抗匹配，電波的部分能量會反射回源，在饋線上形成一定的駐波。此時電波最大能量與最小能量比值可以測出，稱之為駐波比（SWR）。駐波比為1:1是理想情況。1.5:1的駐波比在能耗較為關(guān)

8、鍵的低能應(yīng)用上被視為臨界值。而高達(dá)6:1的駐波比也可出現(xiàn)在相應(yīng)的設(shè)備中。極小化各處接口的阻抗差（阻抗匹配）將減小駐波比并極大化天線系統(tǒng)各部分之間的能量傳輸。天線的復(fù)阻抗涉及該天線工作時的電長度。通過調(diào)節(jié)饋線的阻抗，即將饋線當(dāng)作阻抗變換器，天線的阻抗可以和饋線和電臺相匹配。更為常見的是使用天線調(diào)諧器、巴倫、阻抗變換器、包含電容和電感的匹配網(wǎng)絡(luò)，或者如伽馬匹配的匹配段。本課設(shè)主要是使用C+繪制一種基本天線偶極子天線的其中一個性能參數(shù)-輻射方向圖。第二章 VC+6.0編譯環(huán)境介紹Visual C+是一個功能強大的可視化軟件開發(fā)工具。自1993年Microsoft公司推出Visual C+1.0后，隨

9、著其新版本的不斷問世，Visual C+已成為專業(yè)程序員進(jìn)行軟件開發(fā)的首選工具。 雖然微軟公司推出了Visual C+.NET(Visual C+7.0)，但它的應(yīng)用的很大的局限性，只適用于Windows 2000,Windows XP和Windows NT4.0。所以實際中，更多的是以Visual C+6.0為平臺。 Visual C+6.0不僅是一個C+編譯器，而且是一個基于Windows操作系統(tǒng)的可視化集成開發(fā)環(huán)境（integrated development environment,IDE）。Visual C+6.0由許多組件組成，包括編輯器、調(diào)試器以及程序向?qū)ppWizard、類向

10、導(dǎo)Class Wizard等開發(fā)工具。 這些組件通過一個名為Developer Studio的組件集成為和諧的開發(fā)環(huán)境。 Visual C+ 6.0，簡稱VC或者VC6.0，是微軟推出的一款C+編譯器，將“高級語言”翻譯為“機(jī)器語言（低級語言）”的程序。Visual C+是一個功能強大的可視化軟件開發(fā)工具。自1993年Microsoft公司推出Visual C+1.0后，隨著其新版本的不斷問世，Visual C+已成為專業(yè)程序員進(jìn)行軟件開發(fā)的首選工具。雖然微軟公司推出了 Visual C+.NET(Visual C+7.0)，但它的應(yīng)用有很大的局限性，只適用于Windows 2000、Wind

11、ows XP和Windows NT4.0。所以實際中，更多的是以Visual C+6.0為平臺。Visual C+6.0由Microsoft開發(fā), 它不僅是一個C+ 編譯器，而且是一個基于Windows操作系統(tǒng)的可視化集成開發(fā)環(huán)境（integrated development environment，IDE）。Visual C+6.0由許多組件組成，包括編輯器、調(diào)試器以及程序向?qū)ppWizard、類向?qū)lass Wizard等開發(fā)工具。 這些組件通過一個名為Developer Studio的組件集成為和諧的開發(fā)環(huán)境。Microsoft的主力軟件產(chǎn)品。Visual C+是一個功能強大的可視化

12、軟件開發(fā)工具。自1993年Microsoft公司推出Visual C+1.0后，隨著其新版本的不斷問世，Visual C+已成為專業(yè)程序員進(jìn)行軟件開發(fā)的首選工具。雖然微軟公司推出了Visual C+.NET(Visual C+7.0)，但它的應(yīng)用的很大的局限性，只適用于Windows 2000,Windows XP和Windows NT4.0。所以實際中，更多的是以Visual C+6.0為平臺。 Visual C+6.0以擁有“語法高亮”，自動編譯功能以及高級除錯功能而著稱。比如，它允許用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試，單步執(zhí)行等。還有允許用戶在調(diào)試期間重新編譯被修改的代碼，而不必重新啟動正在調(diào)試的程序。其

13、編譯及創(chuàng)建預(yù)編譯頭文件(stdafx.h)、最小重建功能及累加連結(jié)(link)著稱。這些特征明顯縮短程序編輯、編譯及連結(jié)的時間花費，在大型軟件計劃上尤其顯著。第三章 輻射方向圖輻射方向圖是天線發(fā)射或接受相對場強度的圖形描述。由于天線向三維空間輻射，需要數(shù)個圖形來描述。如果天線輻射相對某軸對稱（如雙極子天線、螺旋天線和某些拋物面天線），則只需一張方向圖。所謂天線方向圖，是指在離天線一定距離處，輻射場的相對場強（歸一化模值）隨方向變化的圖形，通常采用通 過天線最大輻射方向上的兩個相互垂直的平面方向圖來表示，它由天線電磁場輻射決定。對稱偶極子天線是一種最基本天線，其遠(yuǎn)場區(qū)電磁場輻射公式：E平面方向圖

14、即電場方向輻射圖，且包含最大電場輻射方向，歸一化方向函數(shù)為 ，H面方向圖即磁場方向輻射圖，且包含最大磁場輻射方向，歸一化方向函數(shù)。天線陣就是將若干個單元天線按一定方式排列而成的天線系統(tǒng)。排列方式可以是直線陣、平面陣和立體陣。實際的天線陣多用相似元組成。所謂相似元，是指各陣元的類型、尺寸相同，架設(shè)方位相同。天線陣的輻射場是各單元天線輻射場的矢量和。只要調(diào)整好各單元天線輻射場之間的相位差，就可以得到所需要的、更強的方向性。其輻射方向圖同單個的天線的很相似，只是其輻射能量更加集中。方向圖乘積定理，此式表明，天線陣的方向函數(shù)可以由兩項相乘而得。第一項稱為元因子（Primary Pattern），它與單

15、元天線的結(jié)構(gòu)及架設(shè)方位有關(guān)；第二項稱為陣因子（Array Pattern），取決于天線之間的電流比以及相對位置，與單元天線無關(guān)。方向函數(shù)（或方向圖）等于單元天線的方向函數(shù)（或方向圖）與陣因子（或方向圖）的乘積，這就是方向圖乘積定理。已知對稱振子以波腹電流歸算的方向函數(shù)為：則對稱天線的空間輻射特性E面方向函數(shù)：第四章 天線輻射方向圖利用C+實現(xiàn)輻射方向圖的主要是根據(jù)天線輻射特性決定的，不同輻射特性的天線的方向圖也是不一樣的。本課程設(shè)計主要是實現(xiàn)一種簡單天線偶極子天線輻射方向圖。根據(jù)前面偶極子天線方向函數(shù)的分析將用C把方向函數(shù)表示出來，使用畫圖函數(shù)便可將輻射圖繪制出。由于C中沒有畫圖函數(shù)，可通過調(diào)

16、用Matlab中繪圖函數(shù)實現(xiàn)繪圖。天線方向圖繪制步驟：(1)在VC+6.0中建立對稱天線二維極坐標(biāo)空間E面輻射方向函數(shù)的數(shù)學(xué)模型；(2)調(diào)用matlab軟件中的畫圖函數(shù)，實現(xiàn)方向圖的繪制；(3)觀察并分析仿真圖中不同長度對稱天線的空間輻射特性E面方向函數(shù)。4.1 VC+6.0配置在用C+寫程序時，有時會遇到數(shù)值計算問題，如矩陣的計算、優(yōu)化問題、解微分方程等等。這些數(shù)值計算問題如果用C+語言實現(xiàn)的話，一來太費時間，二來實現(xiàn)方案效率未必高。所以遇到這些數(shù)值計算問題時可以依靠matlab。我們這里繪制方向圖c+環(huán)境下計算方向函數(shù)，調(diào)用matlab的繪圖函數(shù)即可生成方向圖。在進(jìn)行聯(lián)合編程前需要經(jīng)行配置

17、，具體如下：1、在VC+6.0選擇工具OptionsDirectoriesInclude files，如下圖所示添加路徑。2、在VC+6.0選擇工具OptionsDirectoriesLibrary files，如下圖所示添加路徑。3、在VC+6.0選擇工程Link，如下圖所示添加庫文件。4.2matlab的配置在matlab命令行輸入mex-setup，按提示選擇合適的編譯器(VC+6.0)即可。在matlab命令行輸入mbuild-setup，按提示選擇合適的編譯器(VC+6.0)即可。4.3調(diào)用matlab引擎為了調(diào)用matlab引擎，首先需要引入相應(yīng)的頭文件#include engin

18、e.h然后需要加如下幾行代碼，這樣順利地完成連接。#pragma comment( lib, libeng.lib )#pragma comment( lib, libmx.lib )#pragma comment( lib, libmat.lib )接下來就可以在需要的地方調(diào)用matlab引擎了。使用時首先需要打開引擎：Engine *ep;if (!(ep = engOpen(0)fprintf(stderr, nCant start MATLAB enginen);return EXIT_FAILURE;接下來將C+程序中相關(guān)的變量變?yōu)閙atlab需要的格式，一般使用mxCreateDo

19、ubleMatrix 和 memcpy函數(shù)。完成轉(zhuǎn)換后使用engPutVariable將數(shù)據(jù)送到matlab引擎。最后調(diào)用engEvalString，將matlab命令作為其參數(shù)，就可以利用matlab引擎進(jìn)行計算了。計算完成后需要使用mxDestroyArray清除mxCreateDoubleMatrix產(chǎn)生的變量，最后使用engClose關(guān)閉引擎。4.4程序運行結(jié)果為方便計算，這里選取300Mhz，即波長為1m，分別繪制了天線長度為1/4,1/2,3/4,1,3/2,2波長時的E面方向圖（程序中只需改變對應(yīng)宏定義L0的值即可）。4.4.1 時的方向圖4.4.2 時的方向圖4.4.3 時的方

20、向圖4.4.4 時的方向圖4.4.5 時的方向圖4.4.6 時的方向圖第五章 附錄5.1頭文件engine_h#if defined(_MSC_VER)# pragma once#endif#if defined(_GNUC_)&(_GNUC_ 3|(_GNUC_=3&_GNUC_MINOR_3)# pragma once#endif#ifndef engine_h#define engine_h#ifndef EXTERN_C#ifdef _cplusplus#define EXTERN_C extern C#else#define EXTERN_C extern#endif#endif#i

21、nclude matrix.h /* mx Routines used in module */typedef struct engine Engine; /* Incomplete definition for Engine */EXTERN_C int engEvalString(Engine*ep, /* engine pointer */const char *string /* string for matlab t execute */);EXTERN_C Engine *engOpenSingleUse( const char *startcmd, /* exec command

22、 string used to start matlab */ void *reserved, /* reserved for future use, must be NULL */ int *retstatus /* return status */);EXTERN_C int engSetVisible( Engine *ep, /* engine pointer */ bool newVal );EXTERN_C int engGetVisible( Engine *ep, /* engine pointer */ bool* bVal );EXTERN_C Engine *engOpe

23、n(const char *startcmd /* exec command string used to start matlab */);EXTERN_C int engClose(Engine*ep /* engine pointer */);EXTERN_C mxArray *engGetVariable(Engine*ep, /* engine pointer */const char *name /* name of variable to get */);EXTERN_C int engPutVariable( Engine*ep, /* engine pointer */ co

24、nst char *var_name, const mxArray *ap /* array pointer */ );EXTERN_C int engOutputBuffer(Engine*ep, /* engine pointer */char*buffer, /* character array to hold output */int buflen/* buffer array length */);#endif /* engine_h */5.2主程序main.cpp#include #include #include #include #include engine.h#pragma comment( lib, libeng.lib )#pragma comment( lib, libmx.lib )#pragma comment( lib, libmat.lib )#define lambda 1.0#define L0 1.0int mai