MATLAB在天線方向性教學(xué)中的應(yīng)用

◆薛紅 李平輝 劉涵

作者：薛紅、劉涵，解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院講師，研究方向為電磁頻譜管理；李平輝，解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院副教授，研究方向為天線技術(shù)（210007）。

1 前言

天線方向性是天線分析的重要部分，通?？梢詮姆较蚝瘮?shù)、方向圖和方向系數(shù)三個方面考查。理論分析多采用方向函數(shù)，工程上看方向圖比較直觀，如果只允許用一個數(shù)字描述天線方向性的強弱，則非方向系數(shù)莫屬。

由于電磁理論比較抽象，空間概念難以想象，盡管方向函數(shù)概念清晰，且根據(jù)方向函數(shù)可確定主波束最大輻射方向、半功率點、主瓣張角、副瓣等參數(shù)，但公式推導(dǎo)較為繁瑣，并且難以獲得空間上的理解，手工繪制方向圖不僅比較困難，而且還不夠準(zhǔn)確，只能定性描述。要想對天線的方向性獲得直觀深入的理解，最佳方法莫過于“形”與“式”的結(jié)合。“形”便是分量方向圖和三維方向圖，“式”便是方向函數(shù)與方向系數(shù)。

本文采用MATLAB軟件來實現(xiàn)“形”與“式”的結(jié)合。MATLAB語言類似于廣泛使用的高級語言C++、JAVA等，便于更快地理解源代碼。此外，MATLAB還是當(dāng)今國際科學(xué)界最具影響力、最有活力的軟件，它可以讓使用者像運用VB、VC、VJ、Delphi一樣進(jìn)行一般的可視化程序編輯。利用MATLAB軟件，不僅可以更好地通過方向圖來分析天線的方向性，進(jìn)一步理解其變化規(guī)律，而且可以初步掌握MATLAB的基本操作，更好地學(xué)會了用高級軟件解決實際問題的方法和技巧。

2 天線的方向性

方向函數(shù) 遠(yuǎn)區(qū)電場通式的應(yīng)用。

通過以上可歸納出三點：

1）電流分布若具有圍繞z軸的旋轉(zhuǎn)對稱性且沿z軸流動，則fθ=f(θ)，fφ=0；

2）磁流分布若具有圍繞z軸的旋轉(zhuǎn)對稱性且沿z軸流動，則fφ=f(θ)，fθ=0；

3）電流分布若具有圍繞z軸的旋轉(zhuǎn)對稱性且沿φ軸流動，則fθ=f(θ)，fθ=0。

方向圖 輻射方向圖簡稱方向圖[1]，是方向函數(shù)的圖示。方向圖形象、直觀，彌補了方向函數(shù)抽象、晦澀的不足。根據(jù)不同的分類法則可以得到不同的方向圖，如圖1所示，在本文中多有涉及。

方向系數(shù) 方向系數(shù)是天線方向性的強弱的集中體現(xiàn)，一般用D表示。D等于任何方向都受到與(θm,φm)方向等強度的輻射所需的輻射功率Pmax與實際輻射功率Pε之比。主波束越窄，享受強輻射眷顧的空間區(qū)域就越小，天線的方向系數(shù)就越大。通用公式：

式中，fmax為方向函數(shù)f(θ,φ)模的最大值。

3 繪制天線的方向圖

下面以對稱振子天線為例，采用MATLAB軟件[2]繪制其方向圖。對稱振子天線未歸一化的方向函數(shù)為：

1）若令2h=0.5λ，βh=90°，則得到半波振子的方向函數(shù)：

2）若令2h=λ，βh=180°，則得到全波振子的方向函數(shù)：

3）若令2h=1.5λ，βh=270°，則得到方向函數(shù)：

4）若令2h=2λ，βh=360°，則得到方向函數(shù)：

因為對稱振子的方向函數(shù)比較簡單，通過計算可知，半波振子天線的半功率波瓣寬度BW0.5E=78°，全波振子天線的半功率波瓣寬度BW0.5E=47°?？梢钥闯鋈ㄕ褡犹炀€的主波束變窄了，表明天線方向性變強了。為了更直觀地看出各個天線之間的差異、聯(lián)系以及變化規(guī)律，采用MATLAB軟件繪制各天線的E面方向圖，如圖2所示。

由圖2可以很清楚地看到對稱振子天線的E面方向性隨長度的變化規(guī)律：長度2h從0增大到λ的過程中，主波束逐漸變窄，BW0.5E從半波振子的90°下降到全波振子的47°，但始終沒有出現(xiàn)副瓣；而長度2h從λ增大到2λ的過程，開始出現(xiàn)副瓣，但其電平弱于主波束，如圖2c所示；繼而副瓣電平逐漸上升，出現(xiàn)了喧賓奪主，即副瓣電平超過主瓣的現(xiàn)象，如圖2d所示；當(dāng)長度2h=2λ時，傳統(tǒng)意義上的主波束已經(jīng)完全消失，如圖2f所示。

圖1 方向圖分類

圖2 不同天線的E面方向圖

圖2 顯示的是天線的分量方向圖，可以很直觀地看出天線在某一平面的方向性。為了對天線在整個空間的方向性有所認(rèn)識，可以用MATLAB繪制天線的三維立體方向圖，軟件內(nèi)的圖像編輯器可以方便地查看方向圖的各個角度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)[3]，如圖3所示。

圖3 天線的立體方向圖

4 結(jié)語

天線方向性是學(xué)習(xí)天線與電波傳播課程的難點和重點之一，傳統(tǒng)的教學(xué)方法只是通過課本和教師的講解，要求學(xué)生有很好的空間想象力才能理解?，F(xiàn)在通過自己推導(dǎo)公式，再輔以軟件編程和精確繪圖，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，更重要的是利用MATLAB軟件繪圖，既可以進(jìn)一步加深對天線的方向性及變化規(guī)律的理解，又可以掌握MAT LAB的基本操作，更好地學(xué)會了用高級軟件解決實際問題的方法和技巧?！?/p>

[1]李人厚,張平安.精通MATLAB:綜合輔導(dǎo)與指南[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1998.

[2]王增和.天線與電波傳播[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

[3]徐茜.基于MATLAB的陣列天線數(shù)值分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013(13):84-86.