【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 實(shí)”，但對(duì)于許多天線問題的研究來說的確非常有效 。與硬件實(shí)驗(yàn)相比，軟件實(shí)驗(yàn)具有如下一些優(yōu)點(diǎn) : (1)軟件實(shí)驗(yàn)具有廣泛的適應(yīng)性和極好的靈活性。在硬件實(shí)驗(yàn)中改變系統(tǒng)參數(shù)也許意味著要重做硬件，而在軟件實(shí)驗(yàn)中則是改一、兩個(gè)數(shù)據(jù)，甚至只是在屏幕上按幾下鼠標(biāo) [19]。 (2)軟件實(shí)驗(yàn)更有助于我們較為全面地研究無線電通信系統(tǒng)。有許多問題，通過硬件實(shí)驗(yàn)來研究可能非常困難，但在軟件實(shí)驗(yàn)中卻易于解決。 (3)硬件實(shí)驗(yàn)的精確度取決于元器件及工藝水平，軟件實(shí)驗(yàn)的精度取決于CPU的運(yùn)算速度或者說是程序的運(yùn)算量。 (4)軟件實(shí)驗(yàn)建設(shè)開發(fā)周期短，成本低 。 本論文的主要研究?jī)?nèi)容 現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展要求通信系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)，性能越來越高，構(gòu)成越來越復(fù)雜 。另一方面，要求通信系統(tǒng)技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)縮短周期，降低成本，提高水平。這樣尖銳對(duì)立的兩個(gè)方面的要求，只有通過使用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助分析設(shè)計(jì)技術(shù)和工具才能實(shí)現(xiàn)。沒有天線也就沒有無線電通信，所以天線的發(fā)展對(duì)無線電通信 4 的發(fā)展起著舉足輕重的作用。 本論文針對(duì)旋轉(zhuǎn)拋物面天線系統(tǒng)仿真的研究主要做了以下的工作 : (1)介紹了天線系統(tǒng)仿真的相關(guān)內(nèi)容，包括天線系統(tǒng)仿真的一般步驟、MATLAB 相關(guān)概念。 (2) 對(duì)天線的基 本知識(shí) 與 旋轉(zhuǎn)拋物面天線的幾何特性與工作原理、拋物面天線的口徑場(chǎng) 、 拋物面天線的輻射場(chǎng)、拋物面天線的方向系數(shù)和增益系數(shù)、拋物面天線的饋源、拋物面天線的偏焦及應(yīng)用 進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。 (3)在理解天線系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上，利用 MATLAB 強(qiáng)大的仿真功能，設(shè)計(jì)了具體的旋轉(zhuǎn)拋物面天線 的 方向函數(shù)、 面 積 利用系 數(shù)、 口徑截獲效率、 增益因子和方向圖 系統(tǒng)模型。 對(duì) 仿真結(jié)果都給出了具體詳實(shí)的說明和分析。 3 天線仿真的相關(guān)內(nèi)容概述 計(jì)算機(jī)仿真的一般步驟 系統(tǒng)仿真一般分成 3 個(gè)步驟，即仿真建模、仿真實(shí)驗(yàn)和仿真分析。應(yīng)該注意的 是，系統(tǒng)仿真是一個(gè)螺旋式發(fā)展的過程，因此，這 3 個(gè)步驟可能需要循環(huán)執(zhí)行多次之后才能夠獲得令人滿意的仿真結(jié)果。 1 仿真建模 仿真建模是根據(jù)實(shí)際天線系統(tǒng)建立仿真模型的過程，它是整個(gè)天線系統(tǒng)仿真過程中的一個(gè)關(guān)鍵步驟，因?yàn)榉抡婺Ｐ偷暮脡闹苯佑绊懼抡娼Y(jié)果的真實(shí)性和可靠性。 2 仿真實(shí)驗(yàn) 仿真實(shí)驗(yàn)是一個(gè)或一系列針對(duì)仿真模型的測(cè)試。在仿真實(shí)驗(yàn)過程中，通常需要多次改變仿真模型輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)，以觀察和分析仿真模型對(duì)這些輸入信號(hào)的反應(yīng)，以及仿真系統(tǒng)在這個(gè)過程中表現(xiàn)出來的性能。需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，仿真過程中使用的輸入數(shù)據(jù)必須 具有一定的代表性，即能夠從各個(gè)角度顯著地改變仿真輸出信號(hào)的數(shù)值。 3 仿真分析 仿真分析是 對(duì)仿真模型的運(yùn)行階段所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其目的是從運(yùn)行階段所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)中找出系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律，對(duì)仿真系統(tǒng)的性能做出評(píng)價(jià)，為系統(tǒng)方案的最終決策提供輔助支持 .圖表是最簡(jiǎn)潔的說明工具，它具有很強(qiáng)的直觀性，便于分析和比較，因此，仿真分析的結(jié)果一般都繪制成圖表形式。 我們使用的仿真工具 MATLAB 具有很強(qiáng)的繪圖功能，能夠便捷地繪制各種類型的圖表。 MATLAB 簡(jiǎn)介 MATLAB 的名稱源自 Matrix Laboratory，它是一種科學(xué)計(jì)算軟件，專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)。 MATLAB 將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化集成在一起，并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，從而被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)計(jì)工作， 而且利用 MATLAB 產(chǎn)品的開放式結(jié)構(gòu)，可以非常 5 容易地對(duì) MATLAB 的功能進(jìn)行擴(kuò)充，從而在不斷深化對(duì)問題認(rèn)識(shí)的同時(shí)，完善MATLAB 產(chǎn)品以提高產(chǎn)品自身的競(jìng)爭(zhēng)能力 [20]。 MATLAB 是 MATLAB 產(chǎn)品家族的基礎(chǔ)，它提供了基本的數(shù)學(xué)算法，例如矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析算法， MATLAB 集成了 2D 和 3D圖形功能，以完成 相應(yīng)數(shù)值可視化的工作，并且提供了一種交互式的高級(jí)編程語言 — M 語言，利用 M 語言可以通過編寫腳本或者函數(shù)文件實(shí)現(xiàn)用戶自己的算法 。 MATLAB Compiler 是一種編譯工具，它能夠?qū)⒛切├?MATLAB 提供的編程語言 — M語言編寫的函數(shù)文件編譯生成為函數(shù)庫、可執(zhí)行文件 COM組件等等。這樣就可以擴(kuò)展 MATLAB 功能，使 MATLAB 能夠同其他高級(jí)編程語言例如C/C++語言進(jìn)行混合應(yīng)用，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以提高程序的運(yùn)行效率，豐富程序開發(fā)的手段。 利用 M 語言還開發(fā)了相應(yīng)的 MATLAB 專業(yè)工具箱函數(shù)供用戶直接使 用。這些工具箱應(yīng)用的算法是開放的可擴(kuò)展的，用戶不僅可以查看其中的算法，還可以針對(duì)一些算法進(jìn)行修改，甚至允許開發(fā)自己的算法擴(kuò)充工具箱的功能。目前MATLAB 產(chǎn)品的工具箱有四十個(gè)，分別涵蓋了數(shù)據(jù)獲取、科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理、金融財(cái)務(wù)分析以及生物遺傳工程等專業(yè)領(lǐng)域 。 4 天線基本知識(shí) 基本振子的輻射 盡管各類天線的結(jié)構(gòu)、特性各有不同，但是分析它們的基礎(chǔ)卻建立在電、磁基本振子的輻射機(jī)理上。所以對(duì)其作簡(jiǎn)單的介紹。 電基本振子的輻射 [1] 電基本振子（ Electric Short Dipole）又稱電流元，它是指一段理想的高頻電流直導(dǎo)線，其長(zhǎng)度 l 遠(yuǎn)小于波長(zhǎng) λ ，其半徑 a 遠(yuǎn)小于 l，同時(shí)振子沿線的電流 I處處等幅同相。用這樣的電流元可以構(gòu)成實(shí)際的更復(fù)雜的天線，因而電基本振子的輻射特性是研究更復(fù)雜天線輻射特性的基礎(chǔ)。 如圖 4― 1― 1 所示，在電磁場(chǎng)理論中，已給出了在球坐標(biāo)系原點(diǎn) O 沿 z 軸放置的電基本振子在無限大自由空間中場(chǎng)強(qiáng)的表達(dá)式為 (411) 22302230001sin ( )421c o s( )411sin ( )40rjk rjk rrjk rHHI l kH j errI l kE j errI l k kE A j j er r rE??????? ? ??? ? ????? ??????? ?????????? ? ???? ?? 6 圖 4― 1― 1 電基本振子的坐標(biāo) Fig. 411Electricity coordinate (412) 式中 ,E 為電場(chǎng)強(qiáng)度，單位為 V/m； H 為磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為 A/m；場(chǎng)強(qiáng)的下標(biāo) r、 θ 、 φ 表示球坐標(biāo)系中矢量的各分量； er,eθ ,eφ 分別為球坐標(biāo)系中沿 r、θ、φ 增大方向的單位矢量； ε 0=109/(36π )(F/m)，為自由空間的介電常數(shù)； μ 0=4π 107(H/m),為自由空間導(dǎo)磁率； 為自由空間相移常數(shù)， λ 為自由空間波長(zhǎng)。式中略去了時(shí)間因子 ejω t。 kr1 即（ rλ /(2π )）的區(qū)域稱為近區(qū)，此區(qū)域內(nèi) 因此忽略式（ 1― 1― 1）中的 1/r 項(xiàng)，并且認(rèn)為 ejkr≈ 1， 電基本振子的近區(qū)場(chǎng)表達(dá)式為 (413) 將上式和靜電場(chǎng)中電偶極子產(chǎn)生的電場(chǎng)以及恒定電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)作比較，可以發(fā)現(xiàn)，除了電基本振子的電磁場(chǎng)隨時(shí)間變化外，在近區(qū)內(nèi)的場(chǎng)振幅表達(dá)式完全相同，故近區(qū)場(chǎng)也稱為似穩(wěn)場(chǎng)或準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)。 近區(qū)場(chǎng)的另一個(gè)重要特點(diǎn)是電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間存在π /2 的相位差，于是坡印廷yxzl OI r??E?H?ErrrE E e E eH H e ?????? ????00 2/k ? ? ? ? ???231 1 1( ) ( )kr kr kr?? ??23030si n42c o s42si n40rrIlHrIlEjrIlEjrE H H???????? ???? ???? ?????????? ???? ? ? ? 7 矢量的平均值 能量在電場(chǎng)和磁場(chǎng)以及場(chǎng)與源之間交換而沒有 輻射，所以近區(qū)場(chǎng)也稱為感應(yīng)場(chǎng)，可以用它來計(jì)算天線的輸入電抗。必須注意，以上的討論中我們忽略了很小的1/r 項(xiàng)，下面將會(huì)看到正是它們構(gòu)成了電基本振子遠(yuǎn)區(qū)的輻射實(shí)功率。 2. 遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng) kr1 即（ rλ /(2π )）的區(qū)域稱為遠(yuǎn)區(qū)，在此區(qū)域內(nèi) 因此保留式（ 1― 1― 1）中的最大項(xiàng)后，電基本振子 的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)表達(dá)式為 (414) 由上式可見，遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的性質(zhì)與近區(qū)場(chǎng)的性質(zhì)完全不同，場(chǎng)強(qiáng)只有兩個(gè)相位相同的分量（ Eθ ,Hφ ），其電力線分布如圖 4― 1― 2 所示，場(chǎng)矢量如圖 4― 1― 3 所示。 遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的 坡印廷矢量平均值為 (415) 有能量沿 r 方向向外輻射，故遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)又稱為輻射場(chǎng)。 該輻射場(chǎng)有如下性質(zhì)： (1) Eθ 、 Hφ 均與距離 r 成反比，波的傳播速度為 ， Eθ 和 Hφ 中都含有相位因子 ejkr，說明輻射場(chǎng)的等相位面為 r 等于常數(shù)的球面，所以稱其為球面波。 E、 H 和 Sav 相互垂直，且符合右手螺旋定則。 (2)傳播方向上電磁場(chǎng)的分量為零，故稱其為橫電磁波，記為 TEM 波。 (3)Eθ 和 Hφ 的比值為常數(shù)，稱為媒質(zhì)的波阻抗，記為η。對(duì)于自由空間 (416) 1 R e[ ] 02avS E H ?? ? ?231 1 1( ) ( )kr kr kr?? ??sin260 sin0jk rjk rrrIlH j erIlE j erH H E E??????? ????????????? ? ? ? ???22 2221 1 5R e[ ] s i n2a v rIlS E H er? ???? ? ?00120EH ??????? ? ? ?001/c ??? 8 圖 4― 1― 2 電基本振子電力線 Fig. 412 Electrical line of electricity (4)Eθ 和 Hφ 與 sinθ 成正比，說明電基本振子的輻射具有方向性，輻射場(chǎng)不是均勻球面波。因此，任何實(shí)際的電磁輻射絕不可能具有完全的球?qū)ΨQ性，這也是所有輻射場(chǎng)的普遍特性。 圖 4― 1― 3 電基本振子遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng) Fig. 413 Electricity far filed 磁基本振子的輻射 磁基本振子（ Magneic Short Dipole） 又稱磁流元、磁偶極子。盡管它是虛擬的，迄今為止還不能肯定在自然界中是否有孤立的磁荷和磁流存在，但是它可以與一些實(shí)際波源相對(duì)應(yīng)，例如小環(huán)天線或者已建立起來的電場(chǎng)波源，用此概念可以簡(jiǎn)化計(jì)算，因此討論它是有必要的。 如圖 4― 1― 4 所示，設(shè)想一段長(zhǎng)為 l（ lλ）的磁流元 Iml 置于球坐標(biāo)系原點(diǎn)，根據(jù)電磁對(duì)偶性原理，只需要進(jìn)行如下變換： (417) 圖 4― 1― 4 磁基本振子的坐標(biāo) Fig. 414 Magism coordinate 其中，下標(biāo) e,m 分別對(duì)應(yīng)電源和磁源，則磁基本振子 遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的表達(dá)式為 （ 418） yxzl OI r??E?H?Sav00,ememe m e mEHHEI I Q Q??? ???? ??????? ?OrIml?xyz?E?H?00sin2sin2jk rmjk rmIlE j erIlH j er????? ??????????????? 9 比較電基本振子的輻射場(chǎng)與磁基本振子的輻射場(chǎng)，可以得知它們除了輻射場(chǎng)的極化方向相互正交之外，其它特性完全相同。 發(fā)射天線的電參數(shù) 描述天線工作特性的參數(shù)稱為天線電參數(shù) (Basic Antenna Parameters)，又稱電指標(biāo)。它們是定量衡量天線性能的尺度。我們有必要了解天線電參數(shù)，以便正確設(shè)計(jì)或選擇天線。大多數(shù)天線電參數(shù)是針對(duì)發(fā)射狀態(tài)規(guī)定的，以衡量天線把高頻電流能量轉(zhuǎn)變成空間電波能量以及定向輻射的能力。下面介紹發(fā)射天線的主要電參數(shù)，并且以電基本振子或 磁基本振子為例說明之。 方向函數(shù) [1] 由電基本振子的分析可知，天線輻射出去的電磁波雖然是一球面波，但卻不是均勻球面波，因此，任何一個(gè)天線的輻射場(chǎng)都具有方向性。 所