基于Matlab的旋转抛物面天线几种特性的仿真分析

基于Matlab的旋转抛物面天线几种特性的仿真分析 基于Matlab的旋转抛物面天线几种特性的 仿真分析 第3O卷第5期 2009年10月 长春工业大学(自然科学版) chunUniversityofTechonology(NaturalScienceEdition) VoI.3ONo.5 ()ct.2OO9 基于Matlab的旋转抛物面天线几种特性 的仿真分析 顾洪军,郭颖,薛顶柱 (1.吉林农业大学信息技术学院,吉林长春13O1l8; 2.长春理工大学电子信息工程学院,吉林长春13OO22) 摘要:对旋转抛物面天线的方向图,面积利用系数,口径截获效率和增益因子以及馈源方向 函数等特性进行了Matlab仿真分析,得到最优化模型时的参数,可以用来指导天线系统的性 能研究. 关键词:旋转抛物面天线;仿真;方向函数;Matlab 中图分类号:TN82O文献标识码:A文章编号:1674—1374(2o09)05—0561一O7 SimuIatiOnandanalySlSOftherOtatingparabOIiCantenna featuresbasedOnMatIab GUHong_jun,GU(_)Ying,XUEDing—zhu (1.College0flnformati0nandTechn0l0gy,Ji1inAgriculturaIUniversity,Changchun130ll8 ,China; 2.C0llegeofE1ectronicInf0rmati0nandEngineeriIlg.ChangchunUniversity0fSciencean dTechnol0gy.Changchun13OO22.China) Abstract:Somefeaturessuchasdirectionalpattern,areautilizati0nc0efficient,calibercaptur ing efficient,gainfactoranddirectionalfunctionoftherotatingparabolicantennaaresimulatedto obtain theoptimalmodelparameters.ourworkscanoffersometechnicalsupportf0rthepracticalant enna systemstudy. KeywOrds:rotatingparabolicantenna;simu1ation;directi0nalfunction;I?atlab. 0引言 现代社会发展一方面要求天线系统功能越来 越强,性能越来越高,构成越来越复杂;另一方面, 要求天线系统技术研究和产品开发缩短周期,降 低成本,提高水平.这样尖锐对立的两个方面的 要求,只有通过使用强大的计算机辅助分析设计 技术和工具才能实现.现代计算机科学技术快速 发展,已经研发出了新一代的可视化的仿真软件. 这些功能强大的仿真软件,使得对天线系统仿真 的设计和分析过程变得相对直观和便捷,由此也 使得天线仿真技术得到了更快的发展. 旋转抛物面天线[】]是在通信,雷达和电文等 系统中广泛使用的一种天线.Matlab_2提供了统 收稿日期:2OO9O811 作者简介:顾洪军(1979一),男.汉族,吉林松原人,吉林农业大学助教.长春理工大学 硕士研究生,主要从事微波技术方向研究, E—ma.}.ghj—dennis@163.com. 562长春工业大学(自然科学版)第3O卷 一 的算法仿真与建模环境,可以针对处理的问题 建立复杂的动态系统模型.天线工作时要具有高 增益,高效率,低噪声,宽频带,天线指向调整范围 宽等特性.抛物面天线的特点与工作原理及焦点 位置等计算方法非常重要,要想在理论与实践之 间有个过渡,就要运用仿真分析.通过对已知的 吻合的理论与实践的研究,达到对理论进行仿真 分析,且能够模仿实际情况的目的. l天线仿真的基本知识 1.1天线仿真的概念 对旋转抛物面天线来说,本身也可以建立一 个系统模型,仿真是衡量系统性能的工具,它通过 仿真模型的仿真结果来判断原系统的性能.从而 为新系统的建立或原系统的改造提供可靠的参 考.通过仿真可以降低新系统失败的可能性,消 除系统中潜在的瓶颈,防止对系统中某些功能部 件造成过量的负载,优化系统的整体性能,因此, 仿真是科学研究和工程建设中不可缺少的方法. 实际的天线系统是一个功能结构相当复杂的 系统,对这个系统做出的任何改变(如改变某个参 数的设置)都可能影响到整个系统的性能和稳定. 因此,在对原有的旋转抛物面天线系统做出改进 或建立一个新系统之前,通常需要对这个系统进 行建模和仿真,通过仿真结果衡量 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的可行性, 从中选择最合理的系统配置和参数设置,然后再 应用于实际系统中,这个过程就是天线系统仿真. 1.2天线仿真的环境 系统仿真技术l也称为系统模拟技术,由于 计算机仿真具有精度高,通用性强,重复性好,建 模迅速以及成本低廉等许多优点,尤其是近年来 发展了以Matlab/Simulink为代表的多种科学计 算和系统仿真语言,使用起来比利用传统的c C++语言进行仿真方便快捷得多.系统仿真技 术在国内学术界和科技界的迅速普及,也大大提 高了科学研究的效率.文中以Matlab/Simulink 为仿真环境来进行系统仿真分析. 1.3天线仿真的优点 应用Matlab/simu1ink的计算机仿真具有经 济,安全,可靠,编程简易以及试验周期短等特点. 在工程领域得到了越来越广泛的应用.电子,通 信领域与计算机技术有着天然的联系,使得电子 与通信领域的计算机仿真应用更为活跃. 2抛物面天线的基础知识 2.1旋转抛物面天线 所谓旋转抛物面是由抛物线绕其对称轴旋转 而构成的抛物面,抛物线必须是按其定义所形成 的轨迹曲线.该天线是应用最广泛的天线之一, 它由馈源和反射面组成.天线的反射面由形状为 旋转抛物面的导体表面或导线栅格网构成,馈源 是放置在抛物面焦点上的具有弱方向性的初级照 射器,它可以是单个振子或振子阵,单喇叭或多喇 叭,开槽天线等.利用抛物面的几何特性,抛物面 天线可以把方向性较弱的初级辐射器的辐射反射 为方向性较强的辐射. 2.2抛物面天线的方向系数 2.2.1天线的方向系数 方向图参数虽能从一定程度上描述方向 图的状态,但它们一般仅能反映方向图中特定方 向的辐射强弱程度,未能反映辐射在全空间的分 布状态,因而不能单独体现天线的定向辐射能力. 为了更精确地比较不同天线之间的方向性,需要 引入一个能定量地表示天线定向辐射能力的电参 数,这就是方向系数,其定义是:在同一距离及相 同辐射功率的条件下.某天线在最大辐射方向上 的辐射功率密度S(或场强1Ei的平方)和无 方向性天线(点源)的辐射功率密度s.(或场强 lI的平方)之比,记为D.用公式表示如下: r,s…jlEll s.l一lEl: 式中:P…实际天线的辐射功率; P,一无方向性天线的辐射功率. 无方向性天线本身的方向系数为1,因为无 方向性天线在r处产生的辐射功率密度为: s.一一 所以.由方向系数的定义得: .: 2.2.2抛物面天线的方向系数 方向系数D可以表示为: D一4不1.f』Ec,ddl ) 2.2.3抛物面天线的辐射场 E面,H面的方向函数为: 第5期顾洪军,等:基于Matlab的旋转抛物面天线几种特性的仿真分析563 F一F()tan(詈)《d删车J0JO,, FlI: . 聃tan(詈)一JOJ0,厶, 2.2.4面积利用系数,效率及增益因子 抛物面天线的方向系数也可表示为: D一 ^ 式中:——面积利用系数; S——抛物面的口径面积,S::一 4tz要. 超高频天线中,由于天线本身的损耗很小,可 以认为天线效率?1,所以G?D,但在抛物面 天线中,天线口径截获的功率P只是馈源所辐射 的总功率P的一部分.还有一部分为漏射损失. 定义口径截获效率一,其增益系数G=D 一巫=,其中,g=称为增益因子. 口径截获示意图如图1所示. 功率 图1口径截获示意图 如果馈源也是旋转对称的,其归一化方向函 数为F(),由E一F( 积利用系数为: P 可以得到面 一:2.警l』!:竺兰! sIIlBl出'l(sin蜘 p F()sin.d ==————一 在多数情况下,馈源的方向函数近似地表示 F():c0s号,o??要 F()=o,?鲁厶 式中."越大,则表示馈源方向图越窄,反之, 则越宽. 3旋转抛物面天线的特性仿真研究 3.1馈源的方向函数的近似计算曲线 由于在多数情况下,馈源的方向函数近似地 表示为下列形式: F()=cos号,o??要 F()一0,?要 在[o,号]的范围内对其表达式建立数学 模型,从表达式可以看出与"的大小有关,为了计 算容易,取,z为2的整数倍,如2,4,6,8,1o等. 3.1.1极坐标下仿真图 极坐标下仿真图如图2所示. (b)":2.4.6.8,1O 图2馈源极坐标仿真图 由图中可以看出,n越大,方向图越窄.图 (a)所对应的立体图如图3所示. 564长春工业大学(自然科学版)第3O卷 图3馈源立体仿真图 3.1.2直坐标下仿真图 多个值仿真分析(一2,4,6,8,1O),仿真图 如图4所示. 从图中可以看出,为抛物线上任一点M到 焦点的连线与焦轴0z之间的夹角,离散点即 为口径张角,同时,方向函数值会随着口径张角的 增大而减小,所以,口径张角不宜太大.随着的 增大,馈源方向图越窄,反之,则越宽,与理论完全 符合,说明Matlab语言的可视化图形输出方法可 以应用在抛物面天线的馈源的方向函数的仿真计 算中. 图4方向函数的近似计算曲线 3.2方向图的仿真分析 根据上面给出E面,H面的方向函数,可对其 进行编程仿真,由于有可能存在虚部,所以,也要考 虑是否对方向图有影响,令7—0.8,1.2,1.6,2(将 实部,虚部画在一图上).仿真图如图5所示. (a)E面(b)H面 图5馈源为近似表达式的抛物面天线方向图 从图中可以看出.E,H的方向性与均匀性J乙 乎相同,所以两者方向性相同,虚部值很小,且随 p 着(=为口径焦距比)的增大,虚部几乎等于 J 零,对方向图的影响可以忽略.以下只考虑实部, 同时,随【]径焦距比增大,方向性增强. 3.3面积利用系数随口径张角的计算曲线?j 在分析了抛物面天线的馈源的方向函数的近 似表达式之后,发现与理论符合,且效果比较好, 以其为基础,分析抛物面天线的面积利用系数随 已知抛物面天线的面积利用系数为: 一 l『』s刚sl一 sIlIEI 2似z孚一 第5期顾洪军,等:基于MatIab的旋转抛物面天线几种特性的仿真分析565 为了了解面积利用系数与"的关系,可以在 不同的值下对表达式进行仿真分析,仿真图如 图6所示(一2,4.6,8,1O). 图6利用系数随口径张角的计算曲线 图6说明对于同一口径张角,面积利用系数 随"的增大而减小,所以"不宜过大. 3.4口径截获效率随口径张角的计算曲线j 已知馈源的方向函数近似地表示为下列形 式: F()=cos号,o??要 F()=0.? 由理论知口径截获效率为: PJ.F.()sd一一 J{) 为了解口径截获效率与,的关系,可以在不 同的值(令"一2,4,6,8)下对表达式进行仿真 分析,仿真图如图7所示. 图7抛物面天线的口径截获效率随口径张角的计算曲线 图7说明随口径张角的增大.口径截获效率 增大,所以口径张角不宜太小.随口径张角的增 大,面积利用系数在下降.即面积利用系数,效率 口径张角选择很重要,应该存在最佳张角,使得某 一 参数(面积利用系数与效率的乘积)最大,即增 益因子最大.对于同一口径张角,口径截获效率 随的增大而增大,所以"不宜过小.同样与面 G—D】7:一警 2z× 2z "值(令一2,4,6,8)下对表达式进行仿真分析, 图8利用系数随口径张角的计算曲线 由图中可以清晰地看到,的确存在最佳张角, 使得增益因子达到最大值g…?O.83.且当"= 2时,达到最大值,随着,z的增大,最大值比较稳 定,只是越大,达到最佳增益因子的口径张角越 小,即面积利用系数与效率会不同. 566长春工业大学(自然科学版)第3O卷 3.6仿真图合成比较 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 最后,对面积利用系数,口径截获效率,增益 因子做个总结,从整体上看它们与口径张角及" 的关系.仿真图如图9所示. (a)利用系数随口径张角的计算曲线 (b)口径截获效率随口径张角的计算曲线 (c)增益因子随口径张角的计算曲线 图9抛物面天线的面积利用系数,口径截获 效率及增益因子随口径张角的计算曲线 虽然对面积利用系数来说,口径张角越小越 好,越小越好,但是对口径截获效率来说,口径 张角越大越好,越大越好,但是不能以它们中的 一 个作为衡量 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ,天线需要具有高增益,所以, 对天线的增益因子进行仿真分析发现,存在最佳 5结语 在给出天线系统仿真理论的基础上,利用 Matlab强大的仿真功能,对具体的旋转抛物面天 线几种特性进行编程仿真.对仿真结果都给出了 具体详实的说明和分析,发现效果显着,为实际构 建提供了很好的依据.文中所使用的仿真软件具 有可视化,数值计算功能,但还有其它仿真性能优 异的仿真软件.所以,在今后的研究中,设计仿真 模型时,可利用多种仿真软件,发挥各个仿真软件 的特长,使得系统仿真效果更精确. 参考文献: [1]刘学观.微波技术与天线[M].西安:西安电子科技 第5期顾洪军.等:基于Matlab的旋转抛物面天线几种特性的仿真分析567 [2: [3 [l: [5 大学出板社,2OOj. 刘兴堂,吴晓燕.现代系统建模与仿真技术[M].西 安:西北_丁业大学出版社.2o01. 薛定宇,陈阳泉.基于Matlab/simulink的系统仿真 技术与应用[M].北京:清华大学出版社.2OO2. 傅文斌.Matlab在天线方向图中的应用与研究 [M].北京:机械工业出版社.2oO7. 殷际杰.微波技术与天线[Mj.北京:电子工业出版 衬:.2OO4. [6 [7] [8] 张立东.Matlal语言在天线设计中的应用[J].电子 电器教学,2O0I1.25(1):34—37. 王曼珠,张士士民.崔红跃.Matlab在天线方向图中的 应用与研究[J.电气电子教学,2O04.26(4): 25—27. 张天瑜,张卉.基于Matlab的天线抗干扰三维运 动仿真器的设计与实现[J.成都大学,2oo7,26 (1):43—45.