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通信技术综合实践Ⅱ1前言随着现代通信技术的迅猛发展，无线通讯越来越广泛，越来越多的应用于国防建设，经济建设以及人民的生活等领域。在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波，用来辐射或接受无线电波的装置称为天线。在通信过程中，特别是点对点的通信，要求天线具有相当强的方向性，即希望天线能将绝大部分的能量集中向某一预定方向辐射。阵列天线就是近代天线研究的一种方向，其研究催生了包括相控阵天线，均匀直线列天线，智能天线等在无线通信，雷达，导航领域中广泛应用的新型天线。而天线阵列辐射场的研究是其中很重要的一部分。天线是无线通信，广播电视，导航等工程系统中辐射或接收无线电波的部件。无线电信是以辐射传播的电磁波作为信息的载体而实现通信。在无线电信的实现中，天线具有至关重要的作用：在发送端天线把载有信息的导行电磁波转换为辐射电磁波；在接收端则完成相反的过程，即把载有信息的辐射电磁波转换为导行电磁波。无论是理论上还是工程实际中，天线问题的核心则是求取辐射电磁波在空间存在的规律，特别是求取其场量辐射的空间分布规律，这称之为天线的方向性。从易于理解和研究问题的方便考虑研究辐射波的问题都是从辐射源的分布求其辐射场的分布，即分析研究发射天线的辐射问题。在天线的诸多特性参量中，天线的方向性无疑是第一位的，因为不同用途的无线电信系统要求不同的辐射场分布。单一天线靠改变尺寸及天线上的高频电流分布，对方向图的调控是极其有限的。这时我们就可以用多个天线（单元天线）组成一个天线系统，实现对天线辐射方向性的调控，获得所需的方向图。由单元天线组成的天线阵的目的是实现天线方向性的调控，以期获得所要求的方向性。通信技术综合实践Ⅱ21线天线的原理天线是将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波，或反之将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。天线的品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作，通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频率带宽。1.1阵列天线的原理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。方向图原理是对于单元数很多的天线阵，用解析方法计算阵的总方向图相当繁杂。假如一个多元天线阵能分解为几个相同的子阵，则可利用方向图相乘原理比较简单地求出天线阵的总方向图。一个可分解的多元天线阵的方向图，等于子阵的方向图乘上以子阵为单元天线阵的方向图。这就是方向图相乘原理。一个复杂的天线阵可考虑多次分解，即先分解成大的子阵，这些子阵再分解为较小的子阵，直至得到单元数很少的简单子阵为止，然后再利用方向图相乘原理求得阵的总方向图。这种情况适应于单元是无方向性的条件，当单元以相同的取向排列并自身具有非均匀辐射的方向图时，则天线阵的总方向图应等于单元的方向图乘以阵的方向图。1.2引向天线的原理引向天线又称八木天线，是上个世纪二十年代，日本东北大学的八木秀次和宇田太郎两人发明的。引向天线通常由一个有源振子、一个反射器及若干个引向器构成，反射器与引向器都是无源振子，所有振子都排列在一个平面内且相互平行。它们的中点都固定在一根金属杆上，除了有源振子馈电点必须与金属杆绝缘外，无源振子则都与金属杆短路连接。因为金属杆与各个振子垂直，所以金属杆上不感应电流，也不参与辐射。引向器天线的最大辐射方向在垂直于各个振子且由有源振子指向引向器的方向，所以它是一种端射式天线阵。引向天线的优点是结构简单、馈电方便、重量轻、便于转动，并有一定的增益。缺点是颇带窄，增益不够高，因此常排成阵列使用。它在超短波和微波波段应用广泛。天线做有源振子，好处是阻抗较高，匹配容易频率亦较宽阔，适合电视讯号通信技术综合实践Ⅱ3的8MHz通频带。但折合式振子在业余条件下，制作较难，而宽带带亦会引入较大噪音，因此常见的八木天线多用基本半波偶极型式的有源振子。至于无源振子根据它的功能可以分为反射器和导向器两种。通常反射器的长度比有源振子的长4-5%，而导向器可以有多个，第1-4个导向器的长度通常比有源振子顺序递减2-5%。引向器略短于二分之一波长，主振子等于二分之一波长，反射器略长于二分之一波长，两振子间距四分之一波长。一副典型的引向天线由一个有源的半波振子，一个（或几个）反向器和一个（或几个）引向器组成的线性端射天线。即有一个连接到传输线上的偶极子，还有若干个未连接、等距离或不等距离安装的平行阵列偶极子（作引向器和反向器）。引向器和反向器的作用是将有源振子的能量引到主辐射方向上去。有源阵子由于加有高频电动势，在周围八木天线空间产生电磁场，使得无源阵子中出现感应电动势，产生相对应的高频电流，这些电流在周围空间再衍生电磁场。由于存在无源阵子，根据互感原理在有源子上也产生相应的感应电流。所以有源阵子的总电流是激励电流和感应电流之和。当反射器的长度、引向器的长度和它到有源阵子的距离选得适当，使反射器和有源阵子所产生的电磁场在一个方向（反射器的一边）上相抵消，在相反方向上（引向器一边，主辐射方向）上相叠加，这样就可使天线得到单项辐射特性，使天线辐射可以在引向器方向上形成较尖锐的波束。八木天线的单元越多，方向性越强。但是单元的增加不与方向性成正比。单元过多时，导致工作频带变窄，整个天线尺寸也将偏大。通信技术综合实践Ⅱ42MATLAB仿真软件简介2.1MATLAB语言介绍MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C、FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。Simulink是Mathworks公司推出的基于Matlab平台的著名仿真环境Simulin作为一种专业和功能强大且操作简单的仿真工具，目前已被越来越多的工程技术人员所青睐，它搭建积木式的建模仿真方式既简单又直观，而且已经在各个领域得到了广泛的应用。2.2MATLAB的功能MATLAB软件具有强大的功能，它对所有的信号能进行视图化，还有它具有丰富的库函数，能够给用户进行选择来编写程序，它的主要特点是：1.高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；2.具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化；3.友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言,使学者易于掌握；4.功能丰富的应用工具箱（如信号处理工具箱、通信工具箱等），为用户提供了大量方便实用的处理工具。MATLAB强大的图形处理功能及符号运算功能,为我们实现信号的可视化及系统分析提供了强有力的工具。通信技术综合实践Ⅱ53线天线的相关参数分析3.1天线的分类天线的种类很多，主要有以下一些分类方法：1.按用途可将天线分为通信天线、导航天线、广播电视天线、雷达天线和卫星天线等；2.按工作工作波长可将天线分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波电线等；3.按辐射元的类型可将天线分为两大类：线天线和面天线。线天线由半径远小于波长的金属导线构成，主要用于长波、中波和短波波段；面天线由尺寸大有波长的金属或介质面构成，主要用于微波波段。这两种天线都可用于超短波波段；4.按天线的特性分类：按方向特性分，有定向天线、全向天线、强方向性天线和弱方向性天线；按极化特性分，有线极化（垂直极化和水平极化）天线和圆极化天线；按频带特性分，有窄带天线、宽频带天线和超宽频带天线；5.按馈电方式分，由对称天线和非对称天线；6.按天线上的电流分，有行波天线和驻波天线；7.按天线的外形分，有V型天线、菱形天线、环形天线、螺旋天线、喇叭天线和反射面天线等。此外，新型天线还有单脉冲天线、相控天线、微带天线、自适应天线、智能天线和有源天线等。3.2天线方向图及参数3.2.1天线方向图所谓天线方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线图，通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。1.在地面上架设的线天线一般采用两个相互垂直的平面来表示其方向图3-1水平面：当仰角及距离为常数时，电场强度随方位角的变化曲线，参见图3-1铅垂平面：当及r为常数时，电场强度随仰角的变化曲线，参见图3-1。2.超高频天线，通常采用与场矢量相平行的两个平面来表示。图3-1E平面：所谓E平面，就是电场矢量所在的平面。对于沿z轴放置的电基本振子而言，子午平面是E平面。图3-2H平面：所谓H平面，就是磁场矢量所在的平面。对于沿Z轴放置的电基本振子，赤道平面是H面。通信技术综合实践Ⅱ6图3-1坐标参考图其E平面方向图如图3-2所示。实际天线的方向图一般要比图3-2复杂。这是在极坐标中的归一化模值随变化的曲线，通常有一个主要的最大值和若干个次要的最大值。头两个零值之间的最大辐射区域是主瓣（或称主波束），其它次要的最大值区域都是旁瓣（或称边瓣、副瓣）。图3-2电基本阵子在E面的方向图通信技术综合实践Ⅱ73.2.2方向图相关参数为了方便对各种天线的方向图特性进行比较，就需要规定一些特性参数。这些参数有：主瓣宽度、旁瓣电平、前后比及方向系数等。1.主瓣宽度主瓣宽度是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量。通常它取方向图主瓣两个半功率点之间的宽度，在场强方向图中，等于最大场强的两点之间的宽度，称为半功率波瓣宽度：有时也将头两个零点之间的角宽作为主瓣宽度，称为零功率波瓣宽度。2.旁瓣电平旁瓣电平是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平，一般以分贝表示。方向图的旁瓣区是不需要辐射的区域，所以其电平应尽可能的低，且天线方向图一般都有这样一条规律：离主瓣愈远的旁瓣的电平愈低。第一旁瓣电平的高低，在某种意义上反映了天线方向性的好坏。另外，在天线的实际应用中，旁瓣的位置也很重要。3.前后比前后比是指最大辐射方向（前向）电平与其相反方向（后向）电平之比，通常以分贝为单位。上述方向图参数虽能在一定程度上反映天线的定向辐射状态，但由于这些参数未能反映辐射在全空间的总效果，因此都不能单独体现天线集束能量的能力。例如，旁瓣电平较低的天线并不表明集束能力强，而旁瓣电平小也并不意味着天线方向性必然好。为了更精确地比较不同天线的方向性，需要再定义一个表示天线集束能量的电参数，这就是方向系数。4.方向系数方向系数定义为：在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度maxS与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度0S之比，记为D，即：2maxmax200ESDSE(3-1)下面由这个定义出发，导出方向系数的一般计算公式。设实际天线的辐射功率为P，它在最大辐射方向上r处产