手把手教你天线设计——用MATLAB仿真天线方向图

阵列方向图与MATLAB 仿真1、线阵的方向图2()22cos(cos )R φψπφ=+-MATLAB 程序如下〔2元〕：clear;a=0:0.1:2*pi;y=sqrt(2+2*cos(pi-pi*cos(a)));polar(a,y); 图形如下：若阵元间距为半波长的M 个阵元的输出用方向向量权重11(,,)M j j M g eg e φφ⋅⋅⋅加以组合的话，阵列的方向图为 [(1)cos()]1()m Mj m m m R g e ψπφφ--==∑MATLAB 程序如下〔10个阵元〕：clear;f=3e10;lamda=(3e8)/f;beta=2.*pi/lamda;n=10;t=0:0.01:2*pi;d=lamda/4;W=beta.*d.*cos(t);z1=((n/2).*W)-n/2*beta* d;z2=((1/2).*W)-1/2*beta* d;F1=sin(z1)./(n.*sin(z2));iK1=abs(F1) ;polar(t,K1);方向图如下：2、圆阵方向图程序如下：clc;clear all；close all;M = 16; % 行阵元数k = 0.8090; % k = r/lambdaDOA_theta = 90; % 方位角DOA_fi = 0; % 俯仰角% 形成方位角为theta，俯仰角位fi的波束的权值m = [0 : M-1];w = exp(-j*2*pi*k*cos(2*pi*m'/M-DOA_theta*pi/180)*cos(DOA_fi*pi/180));% w = exp(-j*2*pi*k*(cos(2*pi*m'/M)*cos(DOA_theta*pi/180)*cos(DOA_fi*pi/180)+sin(2*pi*m'/M)*si n(DOA_fi*pi/180))); % 竖直放置% w = chebwin(M, 20) .* w; % 行加切比雪夫权% 绘制水平面放置的均匀圆阵的方向图theta = linspace(0,180,360);fi = linspace(0,90,180);for i_theta = 1 : length(theta)for i_fi = 1 : length(fi)a = exp(-j*2*pi*k*cos(2*pi*m'/M-theta(i_theta)*pi/180)*cos(fi(i_fi)*pi/180));%a=exp(-j*2*pi*k*(cos(2*pi*m'/M)*cos(theta(i_theta)*pi/180)*cos(fi(i_fi)*pi/180)+sin(2*pi*m'/ M)*sin(fi(i_fi)*pi/180))); % 竖直放置Y(i_theta,i_fi) = w'*a;endendY= abs(Y); Y = Y/max(max(Y));Y = 20*log10(Y);% Y = (Y+20) .* ((Y+20)>0) - 20; % 切图Z = Y + 20;Z = Z .* (Z > 0);Y = Z - 20;figure; mesh(fi, theta, Y); view([66, 33]);title('水平放置时的均匀圆阵方向图');% title('竖面放置时的均匀圆阵方向图'); % 竖直放置axis([0 90 0 180 -20 0]);xlabel('俯仰角/(\circ)'); ylabel('方位角/(\circ)'); zlabel('P/dB');figure; contour(fi, theta, Y);方向图如下：3、平面阵方向图：clc;clear all；close all;Row_N = 16; % 行阵元数Col_N = 16; % 列阵元数k = 0.5; % k = d/lambdaDOA_theta = 90; % 方位角DOA_fi = 0; % 俯仰角% 形成方位角为theta，俯仰角位fi的波束的权值Row_n = [0 : Row_N-1]; Col_n = [0 : Col_N-1];W_Row = exp(-j*2*pi*k*Row_n'*cos(DOA_theta*pi/180)*cos(DOA_fi*pi/180)); W_Col = exp(-j*2*pi*k*Col_n'*sin(DOA_theta*pi/180)*cos(DOA_fi*pi/180)); % W_Col = exp(-j*2*pi*k*Col_n'*sin(DOA_fi*pi/180)); % 竖直放置W_Row = chebwin(Row_N, 20) .* W_Row; % 行加切比雪夫权W_Col = chebwin(Col_N, 30) .* W_Col; % 列加切比雪夫权W = kron(W_Row, W_Col); % 合成的权值N*N x 1% 绘制水平面放置的平面阵的方向图theta = linspace(0,180,180);fi = linspace(0,90,90);for i_theta = 1 : length(theta)for i_fi = 1 : length(fi)row_temp = exp(-j*2*pi*k*Row_n'*cos(theta(i_theta)*pi/180)*cos(fi(i_fi)*pi/180)); % 行导向矢量N x 1col_temp = exp(-j*2*pi*k*Col_n'*sin(theta(i_theta)*pi/180)*cos(fi(i_fi)*pi/180)); % 列导向矢量N x 1% col_temp = exp(-j*2*pi*k*Col_n'*sin(fi(i_fi)*pi/180)); % 竖直放置Y(i_theta,i_fi) = W'*kron(row_temp, col_temp); % 合成的导向矢量N*N x 1 endendY= abs(Y); Y = Y/max(max(Y));Y = 20*log10(Y);Y = (Y+60) .* ((Y+60)>0) - 60; % 切图% Z = Y + 60;% Z = Z .* (Z > 0);% Y = Z - 60;figure; mesh(fi, theta, Y); view([66, 33]);title('水平面放置时的面阵方向图');axis([0 90 0 180 -60 0]);xlabel('俯仰角/(\circ)'); ylabel('方位角(\circ)'); zlabel('P/dB');figure; contour(fi, theta, Y);方向图如下：4、CAPON方法波束形成MATLAB程序如下〔阵元16，信号源3，快拍数1024〕：clear alli=sqrt(-1);j=i;M=16;%均匀线阵列数目P=3;%信号源数目f0=10;f1=50;f2=100;%信号频率nn=1024;%快拍数angle1=-15;angle2=15;angle3=30;%the signal angleth=[angle1;angle2;angle3]';SN1=10;SN2=10;SN3=10;%信噪比sn=[SN1;SN2;SN3];degrad=pi/180;tt=0:.001:1024;x0=exp(-j*2*pi*f0*tt);%3个信号x0、x1、x2x1=exp(-j*2*pi*f1*tt); %x2=exp(-j*2*pi*f2*tt); %t=1:nn;S=[x0(t);x1(t);x2(t)];nr=randn(M,nn);ni=randn(M,nn);u=nr+j*ni;%复高斯白噪声Ps=S*S'./nn;%信号能量ps=diag(Ps);refp=2*10.^(sn/10);tmp=sqrt(refp./ps);S2=diag(tmp)*S;%加入噪声tmp=-j*pi*sin(th*degrad);tmp2=[0:M-1]';a2=tmp2*tmp;A=exp(a2);X=A*S2+.1*u;%接收到的信号Rxx=X*X'./nn;%相关矩阵invRxx=inv(Rxx);%搜寻信号th2=[-90:90]';tmp=-j*pi*sin(th2'*degrad);tmp2=[0:M-1]';a2=tmp2*tmp;A2=exp(a2);den=A2'*invRxx*A2;doa=1./den;semilogy(th2,doa,'r');title('spectrum'); xlabel('angle'); ylabel('spectrum'); axis([-90 90 1e1 1e5]); grid;。

手把手教你天线设计——用MATLAB仿真天线方向图吴正琳天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。

在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。

无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。

此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。

一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。

同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。

这就是天线的互易定理。

天线的基本单元就是单元天线。

1、单元天线对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。

两臂长度相等的振子叫做对称振子。

每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。

对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。

两臂长度相等的振子叫做对称振子。

每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。

1.1用MATLAB画半波振子天线方向图主要是说明一下以下几点：1、在Matlab中的极坐标画图的方法：polar(theta,rho,LineSpec)；theta：极坐标坐标系0-2*pirho：满足极坐标的方程LineSpec：画出线的颜色2、在方向图的过程中如果rho不用abs(f)，在polar中只能画出正值。

也就是说这时的方向图只剩下一半。

3、半波振子天线方向图归一化方程：Matlab程序：clear alllam=1000;%波长k=2*pi./lam;L=lam/4;%天线臂长theta=0:pi/100:2*pi;f1=1./(1-cos(k*L));f2=(cos(k*L*cos(theta))-cos(k*L))./sin(theta);rho=f1*f2;polar(theta,abs(rho),'b');%极坐标系画图2、线性阵列天线2.1方向图乘积定理阵中第i 个天线单元在远区产生的电场强度为：2(,)ij i i i i ie E K If r πλθϕ-=式中，i K 为第i 个天线单元辐射场强的比例常数，i r 为第i 个天线单元至观察点的距离，(,)i f θϕ为第i 个天线单元的方向图函数，i I 为第i 个天线单元的激励电流，可以表示成为：Bji i i I a e φ-∆=式中，i a 为幅度加权系数，B φ∆为等间距线阵中，相邻单元之间的馈电相位差，亦称阵内相移值。

MATLAB在天线方向图中的应用与研究王曼珠1,张民1,崔红跃2(1.北京电子科技学院　通信工程系,北京100070;2.中国民用航空大学,天津300300)ª摘　要:以天线方向图函数为例,分析了对称阵子天线、阵列天线方向图函数F(H,U)随各参量变化的规律以及二维图形的特点,并讨论了直线天线阵(单向端射阵)的最大辐射方向和主瓣宽度随各参量变化的二维、三维图形特点。

借助M AT LAB的绘图功能,对各种天线的方向图函数的二维、三维图形进行研究,可以观察到天线辐射场在不同方向的辐射能量分布,直观清楚地表现出辐射方向图的特点。

关键词:天线;M AT LAB;辐射方向图中图分类号:TN820.1+2;TP391.77 文献标识码:A文章编号:1008-0686(2004)04-0024-04The Application and Study of Antenna Radiation Pattern Based on MATLABWANG Man-zhu1,ZHANG Zhe-min1,C UI Hong-yue2(1.Dep t.of Communication Eng ineer ing B eij ing E le ctronic S cience&T echnology I nstitute,B eij ing100070,China;2.Civ il A viation Unive rsity of China,T ianj ing300300,China)Abstract:This paper takes the antenna radiation pattern as an exam ple,and analy zes the rules of the function F(H,U)varg ing w ith the par am eters for the dipole and antenna ar rays r adiation pattern,as w ell as the characteristic of the tw o-dimensio nal fig ure.In addition,w e discuss the characteristics of the two and thr ee-dimensional fig ure when the max imum radiation and the width o f m ajo r lobe vary s w ith the param eters in the end-fire array.It introduces the w ay of plo tting co mplicated antenna directional r adiation pattern of two and three-dim ensional figure w ith the help of plo tting functions of MAT LAB,the radiating energy distribution of the antenna radiation field in different directions can be observed from r adiation pattern of the antenna,and the characteristic of the radiation pattern can be sho w n clearly.Keywords:antenna;M AT LA B;radiation pattern 天线的远区场分布是一组复杂的函数,分析不同天线的辐射场可从中得到该天线的各种重要性能参数。

阵列天线方向图的MATLAB 实现课程名称：MATLAB程序设计与应用任课教师：周金柱班级：04091202姓名：黄文平学号：04091158成绩：阵列天线方向图的MATLAB 实现摘要：天线的方向性是指电磁场辐射在空间的分布规律，文章以阵列天线的方向性因子F（θ，φ）为主要研究对象来分析均匀和非均匀直线阵天线的方向性。

讨论了阵列天线方向图中主射方向和主瓣宽度随各参数变化的特点，借助M ATLAB绘制出天线方向性因子的二维和三维方向图，展示天线辐射场在空间的分布规律，表现辐射方向图的特点。

关键词：阵列天线;;方向图；MATLAB前言：天线是发射和接收电磁波的重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。

不同用途的天线要求其有不同的方向性，阵列天线以其较强的方向性和较高的增益在工程实际中被广泛应用。

因此，对阵列天线方向性分析在天线理论研究中占有重要地位。

阵列天线方向性主要由方向性因子F（θ，φ）表征，但F（θ，φ）在远区场是一组复杂的函数，如果对它的认识和分析仅停留在公式中各参数的讨论上，很难理解阵列天线辐射场的空间分布规律[ 1 ]。

MATLAB以其卓越的数值计算能力和强大的绘图功能，近年来被广泛应用在天线的分析和设计中。

借助MATLAB可以绘制出阵列天线的二维和三维方向图，直观地从方向图中看出主射方向和主瓣宽度随各参数的变化情况，加深对阵列天线辐射场分布规律的理解。

1 均匀直线阵方向图分析若天线阵中各个单元天线的类型和取向均相同，且以相等的间隔d 排列在一条直线上。

且各单元天线的电流振幅均为I，相位依次滞后同一数值琢，那么，这种天线阵称为均匀直线式天线阵，如图1 所示[ 2 ]:均匀直线阵归一化阵因子为[ 3 ]：Fn（θ，φ）是一个周期函数，所以除§= 0 时是阵因子的主瓣最大值外，§= ±2 mπ（m=1,2,...）都是主瓣最大值，这些重复的主瓣称为栅瓣，在实际应用中，通常希望出现一个主瓣，为避免出现栅瓣，必须把g限制在- 2π＜§＜2π范围内[ 4 ]，其中k=λ/2π，即波数，n 表示阵元数目。

阵列天线方向图及其MATLAB 仿真1设计目的1.了解阵列天线的波束形成原理写出方向图函数2.运用MATLAB 仿真阵列天线的方向图曲线3.变换各参量观察曲线变化并分析参量间的关系2设计原理阵列天线：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。

在本次设计中，讨论的是均匀直线阵天线。

均匀直线阵是等间距，各振源电流幅度相等，而相位依次递增或递减的直线阵。

均匀直线阵的方向图函数依据方向图乘积定理，等于元因子和阵因子的乘积。

二元阵辐射场：式中： 类似二元阵的分析，可以得到N 元均匀直线振的辐射场：令 ，可得到H 平面的归一化方向图函数，即阵因子的方向函数：式中：ζφθψ+=cos sin kd均匀直线阵最大值发生在0=ψ 处。

由此可以得出])[,(212121ζθθθϕθj jkr jkr m e r e r e F E E E E --+=+=12cos ),(21jkr m e F r E E -=ψϕθθζφθψ+=cos sin kd ∑-=+-=10)cos sin (),(N i kd ji jkr m e e r F E E ζϕθθϕθ2πθ=)2/sin()2/sin(1)(ψψψN N A =kdm ζϕ-=cos这里有两种情况最为重要。

1.边射阵，即最大辐射方向垂直于阵轴方向，此时 ，在垂直于阵轴的方向上，各元观察点没有波程差，所以各元电流不需要有相位差。

2.端射振，计最大辐射方向在阵轴方向上，此时0=mϕ或π，也就是说阵的各元电流沿阵轴方向依次超前或滞后kd 。

3设计过程本次设计的天线为14元均匀直线阵天线，天线的参数为：d=λ/2，N=14相位滞后的端射振天线。

阵列天线方向图的MATLAB实现
陈天禄;郭燕红
【期刊名称】《西藏大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2010(025)001
【摘要】天线的方向性是指电磁场辐射在空间的分布规律,文章以阵列天线的方向性因子F(θ,φ)为主要研究对象来分析均匀和非均匀直线阵天线的方向性.讨论了阵列天线方向图中主射方向和主瓣宽度随各参数变化的特点,借助MATLAB绘制出天线方向性因子的二维和三维方向图,展示天线辐射场在空间的分布规律,表现辐射方向图的特点.
【总页数】5页(P103-107)
【作者】陈天禄;郭燕红
【作者单位】西藏大学理学院,西藏拉萨,850000;西藏大学理学院,西藏拉
萨,850000
【正文语种】中文
【中图分类】TN82
【相关文献】
1.基于C++ Builder和Matlab实现天线方向图可视化软件的设计 [J], 王勋志;王玲丽
2.阵列天线方向图的MATLAB实现 [J], 陈天禄;郭燕红
3.基于Matlab的阵列天线方向图仿真 [J], 张承畅;余洒;罗元;徐余;陈银锋
4.基于WCA的阵列天线方向图综合算法研究及实现 [J], 仇亮;王云秀;郑霞;樊琴;
段寅龙;贾瑞林
5.基于WCA的阵列天线方向图综合算法研究及实现 [J], 仇亮;王云秀;郑霞;樊琴;段寅龙;贾瑞林
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阵列天线方向图及其MATLAB仿真一．实验目的1.了解阵列天线的波束形成原理写出方向图函数2.运用MATLAB仿真阵列天线的方向图曲线3.变换各参量观察曲线变化并分析参量间的关系二．实验原理1.阵列天线：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。

^2.方向图原理：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阵列天线天线阵的方向图。

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。

三．源程序及相应的仿真图1.方向图随n变化的源程序clear;sita=-pi/2::pi/2;lamda=;]d=lamda/4;n1=20;beta=2*pi*d*sin(sita)/lamda;z11=(n1/2)*beta;z21=(1/2)*beta;f1=sin(z11)./(n1*sin(z21));F1=abs(f1);figure(1);plot(sita,F1,'b');hold on;n2=25;：beta=2*pi*d*sin(sita)/lamda;z12=(n2/2)*beta;z22=(1/2)*beta;f2=sin(z12)./(n2*sin(z22));F2=abs(f2);plot(sita,F2,'r');hold on;n3=30;beta=2*pi*d*sin(sita)/lamda;z13=(n3/2)*beta;z23=(1/2)*beta;>f3=sin(z13)./(n3*sin(z23));F3=abs(f3);plot(sita,F3,'k')hold off;grid on;xlabel('theta/radian');ylabel('amplitude');title('方向图与阵列个数的关系'); legend('n=20','n=25','n=30');·结果分析：随着阵列个数n的增加，方向图衰减越快，效果越好；2.方向图随lamda变化的源程序clear;sita=-pi/2::pi/2;n=20;d=;lamda1=;beta=2*pi*d*sin(sita)/lamda1;z11=(n/2)*beta;z21=(1/2)*beta;f1=sin(z11)./(n*sin(z21));~F1=abs(f1);%·½ÏòͼÇúÏßfigure(1);lamda2=;beta=2*pi*d*sin(sita)/lamda2;z12=(n/2)*beta;z22=(1/2)*beta;f2=sin(z12)./(n*sin(z22));F2=abs(f2);lamda3=;beta=2*pi*d*sin(sita)/lamda3;z13=(n/2)*beta;，z23=(1/2)*beta;f3=sin(z13)./(n*sin(z23));F3=abs(f3)plot(sita,F1,'b',sita,F2,'r',sita,F3,'k');grid on;xlabel('theta/radian');ylabel('amplitude');title('方向图与波长的关系');legend('lamda=','lamda=','lamda=');四．,随着波长lamda的增大，方向图衰减越慢，收敛性越五．结果分析：不是很好；3.方向图随d变化的源程序clear;sita=-pi/2::pi/2;n=20;lamda=;d1=;beta=2*pi*d1*sin(sita)/lamda;z11=(n/2)*beta;z21=(1/2)*beta;【f1=sin(z11)./(n*sin(z21));F1=abs(f1);%·½ÏòͼÇúÏßfigure(1);plot(sita,F1,'b');hold on;d2=;beta=2*pi*d2*sin(sita)/lamda;z12=(n/2)*beta;z22=(1/2)*beta;f2=sin(z12)./(n*sin(z22));F2=abs(f2);-plot(sita,F2,'r');hold on;d3=;beta=2*pi*d3*sin(sita)/lamda;z13=(n/2)*beta;z23=(1/2)*beta;f3=sin(z13)./(n*sin(z23));F3=abs(f3)plot(sita,F3,'k')hold off;grid on;xlabel('theta/radian');ylabel('amplitude');title('·½ÏòͼÓëÌìÏßÕóÁмä¸ôdµÄ¹Øϵ'); legend('d1=','d=','d=');结果分析；随着阵元之间间隔的增加，方向图衰减越快，主次瓣的差距越大，次瓣衰减越快，效果越好。

基于MATLAB的智能天线及仿真摘要随着移动通信技术的发展，与日俱增的移动用户数量和日趋丰富的移动增值服务，使无线通信的业务量迅速增加，无限电波有限的带宽远远满足不了通信业务需求的增长。

另一方面，由于移动通信系统中的同频干扰和多址干扰的影响严重，更影响了无线电波带宽的利用率。

并且无线环境的多变性和复杂性，使信号在无线传输过程中产生多径衰落和损耗。

这些因素严重地限制了移动通信系统的容量和性能。

因此为了适应通信技术的发展，迫切需要新技术的出现来解决这些问题。

这样智能天线技术就应运而生。

智能天线是近年来移动通信领域中的研究热点之一，应用智能天线技术可以很好地解决频率资源匮乏问题，可以有效地提高移动通信系统容量和服务质量。

开展智能天线技术以及其中的一些关键技术研究对于智能天线在移动通信中的应用有着重要的理论和实际意义。

论文的研究工作是在MATLAB软件平台上实现的。

首先介绍了智能天线技术的背景；其次介绍了智能天线的原理和相关概念，并对智能天线实现中的若干问题，包括:实现方式、性能度量准则、智能自适应算法等进行了分析和总结。

着重探讨了基于MATLAB的智能天线的波达方向以及波束形成，阐述了music和capon两种求来波方向估计的方法，并对这两种算法进行了计算机仿真和算法性能分析;关键字:智能天线；移动通信；自适应算法；来波方向； MUSIC算法AbstractWith development of mobile communication technology，mobile users and communication，increment service are increasing，this make wireless services increase so that bandwidth of wireless wave is unfit for development of communication，On the other hand，much serious Co-Channel Interruption and the Multiple Address interruption effect utilize rate of wireless wave’s bandwidth，so the transported signals are declined and wear down，All this has strong bad effect on the capacity and performance of question and be fit for the development of communication，so smart antenna arise Smart Antenna，which is considered to be a solution to the problem of lacking frequency, becomes a hotspot in the Mobile Communication area．With this technology, Capacity of Mobile Communication system can be increased effectively and the quality of service can be improved at the same time. To study Smart Antenna and its key technologies is important both in theory and in practice。

基于MATLAB的智能天线波束方向图仿真
汪睿;王振宫;曾庆栋
【期刊名称】《湖北工程学院学报》
【年(卷),期】2009(029)006
【摘要】结合一种直线阵智能天线模型,对其工作原理进行了研究,并在MATLAB 软件下对其波束方向图进行了仿真,结果表明,通过调整加权因子,可以使天线主波束在平面内指向任何用户方向.
【总页数】3页(P56-58)
【作者】汪睿;王振宫;曾庆栋
【作者单位】孝感学院,物理与电子信息工程学院,湖北,孝感,432000;成宁职业技术学院,电子信息工程系,湖北,成宁,437100;孝感学院,物理与电子信息工程学院,湖北,孝感,432000;湖北职业技术学院,应用技术分院,湖北,孝感,432000;孝感学院,物理与电子信息工程学院,湖北,孝感,432000
【正文语种】中文
【中图分类】TN911.72
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1.基于LMS算法的天线波束方向图仿真研究 [J], 杨帆
2.一种均匀直线阵智能天线波束方向图仿真 [J], 曾庆栋;肖永军;童菊芳
3.基于LMS算法的智能天线波束方向图仿真 [J], 杨尚贤;王明皓
4.基于MATLAB的LTE智能天线广播波束仿真与权值优化 [J], 汪鹏;张德树;吉洪武;
5.基于MATLAB的LTE智能天线广播波束仿真与权值优化 [J], 汪鹏;张德树;吉洪武
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第25卷 第1期2004年3月制 导 与 引 信GUIDANCE &FUZEVol.25No.1M ar.2004文章编号:1671-0576(2004)01-0034-04M AT LAB 语言在天线设计中的运用张立东(上海航天技术研究院802所,上海200090)摘 要:天线设计中的数值计算与方向图的可视化输出是一个难点,对MAT LAB 语言在该方面的运用进行了探索,把MATLAB 语言的可视化图形输出方法应用在平面阵列天线三维方向图的仿真计算中,结果表明应用效果比较显著。

关键词:MAT LAB 语言;天线;方向图中图分类号:TN 820.12 文献标识码:AThe Application of MATLAB Language atDesigning AntennaZ H ANG Li -dong(No.802Institute of SAST,Shanghai 200090,China)Abstract:It is difficult to do dig ita-l calculating and to creating 3-D directional diagram in the designing of the antenna.Making the research for using MATLAB language at desig ning antenna,It has better effectto use the 3-D visualization of MATLAB language in creating the 3-D directional diagram of the planar array antenna.Key words:M ATLAB languag e;antenna;directional diagram收稿日期:2003-10-22作者简介:张立东(1972-),男,工程师,从事天线设计与微波技术的研究。

阵列天线方向图及其MATLAB 仿真1设计目的1.了解阵列天线的波束形成原理写出方向图函数2.运用MATLAB 仿真阵列天线的方向图曲线3.变换各参量观察曲线变化并分析参量间的关系2设计原理阵列天线：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。

在本次设计中，讨论的是均匀直线阵天线。

均匀直线阵是等间距，各振源电流幅度相等，而相位依次递增或递减的直线阵。

均匀直线阵的方向图函数依据方向图乘积定理，等于元因子和阵因子的乘积。

二元阵辐射场：式中： 类似二元阵的分析，可以得到N 元均匀直线振的辐射场：令 ，可得到H 平面的归一化方向图函数，即阵因子的方向函数：式中：ζφθψ+=cos sin kd均匀直线阵最大值发生在0=ψ 处。

由此可以得出])[,(212121ζθθθϕθj jkr jkr m e r e r e F E E E E --+=+=12cos ),(21jkrm e F r E E -=ψϕθθζφθψ+=cos sin kd ∑-=+-=1)cos sin (),(N i kd ji jkrme erF E E ζϕθθϕθ2πθ=)2/sin()2/sin(1)(ψψψN N A =kdm ζϕ-=cos这里有两种情况最为重要。

1.边射阵，即最大辐射方向垂直于阵轴方向，此时 ，在垂直于阵轴的方向上，各元观察点没有波程差，所以各元电流不需要有相位差。

2.端射振，计最大辐射方向在阵轴方向上，此时0=mϕ或π，也就是说阵的各元电流沿阵轴方向依次超前或滞后kd 。

3设计过程本次设计的天线为14元均匀直线阵天线，天线的参数为：d=λ/2，N=14相位滞后的端射振天线。

基于MATLAB 可实现天线阵二维方向图和三维方向图的图形分析。

天线阵代码/downloads164/sourcecode/math/detail750575.html一、clcclear allf=3e9;N1=4;N2=8;N3=12;a=pi/2; %馈电相位差i=1; %天线电流值lambda=(3e8)/f; %lambda=c/f 波长d=lambda/2;beta=2.*pi/lambda;W=-2*pi:0.001:2*pi;y1=sin((N1.*W./2))./(N1.*(sin(W./2))); %归一化阵因子y1=abs(y1);r1=max(y1);y2=sin((N2.*W./2))./(N2.*(sin(W./2))); %归一化阵因子y2=abs(y2);r2=max(y2);y3=sin((N3.*W./2))./(N3.*(sin(W./2))); %归一化阵因子y3=abs(y3);r3=max(y3);%归一化阵因子绘图程序,figure(1)subplot(311);plot(W,y1) ; grid on; %绘出N=4等幅等矩阵列的归一化阵因子xlabel('f=3GHz,N=4,d=1/2波长,a=π/2')subplot(312);plot(W,y2) ; grid on; %绘出N=8等幅等矩阵列的归一化阵因子xlabel('f=3GHz,N=8,d=1/2波长,a=π/2')subplot(313);plot(W,y3) ; grid on; %绘出N=12等幅等矩阵列的归一化阵因子xlabel('f=3GHz,N=12,d=1/2波长,a=π/2')%---------------------%只有参数N改变的天线方向图t=0:0.01:2*pi;W=a+(beta.*d.*cos(t));z1=(N1/2).*(W);z2=(1/2).*(W);W1=sin(z1)./(N1.*sin(z2)); %非归一化的阵因子K1K1=abs(W1);%----------------------W=a+(beta.*d.*cos(t));z3=(N2/2).*(W);z4=(1/2).*(W);W2=sin(z3)./(N2.*sin(z4)); %非归一化的阵因子K2K2=abs(W2);%-------------------------W=a+(beta.*d.*cos(t));z5=(N3/2).*(W);z6=(1/2).*(W);W3=sin(z5)./(N3.*sin(z6)); %非归一化的阵因子K3K3=abs(W3);%--------------------绘图函数figure(2)subplot(131);polar(t,K1);xlabel('f=3GHz,N=4,d=1/2波长,a=π/2'); subplot(132);polar(t,K2);xlabel('f=3GHz,N=8,d=1/2波长,a=π/2'); subplot(133);polar(t,K3);xlabel('f=3GHz,N=12,d=1/2波长,a=π/2'); %----------------------%只有阵列单元方向角a改变的天线方向图N4=10;d1=lambda/4;a1=0;a2=pi/2;a3=pi/2+pi/10;A=a1+(beta.*d1.*cos(t));x1=(N4/2).*(A);x2=(1/2).*(A);A1=sin(x1)./(N4.*sin(x2)); %非归一化的阵因子K4K4=abs(A1);%---------------------------B=a2+(beta.*d1.*cos(t));y_1=(N4/2).*(B);y_2=(1/2).*(B);B1=sin(y_1)./(N4.*sin(y_2)); %非归一化的阵因子K5K5=abs(B1);%----------------------------C=a3+(beta.*d1.*cos(t));v1=(N4/2).*(C);v2=(1/2).*(C);C1=sin(v1)./(N4.*sin(v2)); %非归一化的阵因子K6K6=abs(C1);%--------------------------绘图函数figure(3)subplot(131);polar(t,K4);xlabel('f=3GHz,N=10,d=1/4波长,a=0'); subplot(132);polar(t,K5);xlabel('f=3GHz,N=10,d=1/4波长,a=π/2'); subplot(133);polar(t,K6);xlabel('f=3GHz,N=10,d=1/4波长,a=π/2+π/10');%----------------------------------------------------------------------%只有阵列单元间隔d改变的天线方向图N5=20;d2=lambda/4;d3=lambda/2;d4=0.7*lambda;a4=pi/2;D=a4+(beta.*d2.*cos(t));p1=(N5/2).*(D);p2=(1/2).*(D);D1=sin(p1)./(N5.*sin(p2)); %非归一化的阵因子K7K7=abs(D1);%------------------------------E=a4+(beta.*d3.*cos(t));q1=(N5/2).*(E);q2=(1/2).*(E);E1=sin(q1)./(N5.*sin(q2)); %非归一化的阵因子K8K8=abs(E1);%-------------------------------F=a4+(beta.*d4.*cos(t));r_1=(N5/2).*(F);r_2=(1/2).*(F);F1=sin(r_1)./(N5.*sin(r_2)); %非归一化的阵因子K9K9=abs(F1);%-----------------------绘图函数figure(4)subplot(131);polar(t,K7);xlabel('f=3GHz,N=20,d=1/4波长,a=π/2'); subplot(132);polar(t,K8);xlabel('f=3GHz,N=20,d=1/2波长,a=π/2'); subplot(133);polar(t,K9);xlabel('f=3GHz,N=20,d=0.7波长,a=π/2');%--------------------------------------------------------------------------%---------------------------------------3D-天线方向图n_tehta = 130; %-------------------- 采样视角点的仰角n_phi = 130; %--------------------采样点的方向角[tehta,phi]=meshgrid(eps:pi./(n_tehta-1):pi,... %meshgrid函数为矩形区域的设定范围是epf<tehta<π 0<phi<2π0:2*pi./(n_phi-1):2*pi) ;t3=tehta;%-------------只有参数N改变的天线方向3D图M=a+(beta.*d.*cos(t3)); %----N1=4;N2=8;N3=12;z_1=(N1/2).*(M);z_2=(1/2).*(M);M1=sin(z_1)./(N1.*sin(z_2)); %非归一化的阵因子K1K_1=abs(M1);radio_1 =K_1;X1=radio_1.*sin(tehta).*cos(phi);Y1=radio_1.*sin(tehta).*sin(phi);Z1=radio_1.*cos(tehta);%-----------------------------------M=a+(beta.*d.*cos(t3));z_3=(N2/2).*(M);z_4=(1/2).*(M);M2=sin(z_3)./(N2.*sin(z_4)); %非归一化的阵因子K2K_2=abs(M2);radio_2 =K_2;X2=radio_2.*sin(tehta).*cos(phi);Y2=radio_2.*sin(tehta).*sin(phi);Z2=radio_2.*cos(tehta);%-------------------------------------M=a+(beta.*d.*cos(t3));z_5=(N3/2).*(M);z_6=(1/2).*(M);M3=sin(z_5)./(N3.*sin(z_6)); %非归一化的阵因子K3K_3=abs(M3);radio_3 =K_3;X3=radio_3.*sin(tehta).*cos(phi);Y3=radio_3.*sin(tehta).*sin(phi);Z3=radio_3.*cos(tehta);%------------------------------------3D绘图函数figure(5)surf(X1,Y1,Z1); %三维绘图函数surf，采用伪彩色表示曲面的高度camlight rightlightcolorbaraxis imagerotate3D ontitle('f=3GHz,N=4,d=1/2波长,a=π/2');figure(6)surf(X2,Y2,Z2);camlight rightlightcolorbaraxis imagerotate3D ontitle('f=3GHz,N=8,d=1/2波长,a=π/2');figure(7)surf(X3,Y3,Z3)camlight rightlightcolorbaraxis imagerotate3D ontitle('f=3GHz,N=12,d=1/2波长,a=π/2');%----------------------------------------------%--------------------只有阵列单元方向角a改变的天线方向图N4=10;d1=lambda/4;a1=0;a2=pi/2;a3=pi/2+pi/10;A_3d=a1+(beta.*d1.*cos(t3));x_1=(N4/2).*(A_3d);x_2=(1/2).*(A_3d);A_1=sin(x_1)./(N4.*sin(x_2)); %非归一化的阵因子K4K_4=abs(A_1);radio_4 =K_4;X4=radio_4.*sin(tehta).*cos(phi);Y4=radio_4.*sin(tehta).*sin(phi);Z4=radio_4.*cos(tehta);%-----------------------------------B_3d=a2+(beta.*d1.*cos(t3));y_1_3d=(N4/2).*(B_3d);y_2_3d=(1/2).*(B_3d);B_1=sin(y_1_3d)./(N4.*sin(y_2_3d)); %非归一化的阵因子K5K_5=abs(B_1);radio_5 =K_5;X5=radio_5.*sin(tehta).*cos(phi);Y5=radio_5.*sin(tehta).*sin(phi);Z5=radio_5.*cos(tehta);%------------------------------------C_3d=a3+(beta.*d1.*cos(t3));v_1=(N4/2).*(C_3d);v_2=(1/2).*(C_3d);C_1=sin(v_1)./(N4.*sin(v_2)); %非归一化的阵因子K6K_6=abs(C_1);radio_6 =K_6;X6=radio_6.*sin(tehta).*cos(phi);Y6=radio_6.*sin(tehta).*sin(phi);Z6=radio_6.*cos(tehta);%-----------------------------------figure(8)surf(X4,Y4,Z4); %三维绘图函数surf，采用伪彩色表示曲面的高度camlight rightlightcolorbaraxis imagerotate3D ontitle('f=3GHz,N=10,d=1/4波长,a=0');figure(9)surf(X5,Y5,Z5);camlight rightlightcolorbaraxis imagerotate3D ontitle('f=3GHz,N=10,d=1/4波长,a=π/2');figure(10)surf(X6,Y6,Z6)camlight rightlightcolorbaraxis imagerotate3D ontitle('f=3GHz,N=10,d=1/4波长,a=π/2+π/10');%---------------------------------------------%-------------------只有阵列单元间隔d改变的天线方向3D图N5=20;d2=lambda/4;d3=lambda/2;d4=0.7*lambda;a4=pi/2;D_3d=a4+(beta.*d2.*cos(t3));p_1=(N5/2).*(D_3d);p_2=(1/2).*(D_3d);D_1=sin(p_1)./(N5.*sin(p_2)); %非归一化的阵因子K7K_7=abs(D_1);radio_7 =K_7;X7=radio_7.*sin(tehta).*cos(phi);Y7=radio_7.*sin(tehta).*sin(phi);Z7=radio_7.*cos(tehta);%---------------------------------------E_3d=a4+(beta.*d3.*cos(t3));q_1=(N5/2).*(E_3d);q_2=(1/2).*(E_3d);E_1=sin(q_1)./(N5.*sin(q_2)); %非归一化的阵因子K8K_8=abs(E_1);radio_8 =K_8;X8=radio_8.*sin(tehta).*cos(phi);Y8=radio_8.*sin(tehta).*sin(phi);Z8=radio_8.*cos(tehta);%------------------------------------------F_3d=a4+(beta.*d4.*cos(t3));r_1_3d=(N5/2).*(F_3d);r_2_3d=(1/2).*(F_3d);F_1=sin(r_1_3d)./(N5.*sin(r_2_3d)); %非归一化的阵因子K9 K_9=abs(F_1);radio_9 =K_9;X9=radio_9.*sin(tehta).*cos(phi);Y9=radio_9.*sin(tehta).*sin(phi);Z9=radio_9.*cos(tehta);%-----------------------------------figure(11)surf(X7,Y7,Z7); %三维绘图函数surf，采用伪彩色表示曲面的高度camlight rightlightcolorbaraxis imagerotate3D ontitle('f=3GHz,N=20,d=1/4波长,a=π/2');figure(12)surf(X8,Y8,Z8);camlight rightlightcolorbaraxis imagerotate3D ontitle('f=3GHz,N=20,d=1/2波长,a=π/2');figure(13)surf(X9,Y9,Z9)camlight rightlightcolorbaraxis imagerotate3D ontitle('f=3GHz,N=20,d=0.7波长,a=π/2');二、%-----------------均匀直线阵列天线的应用之一：边射阵clcclear allf=3e10; %30GHz,厘米波i=1; %天线电流值lambda=(3e8)/f; %lambda=c/f 波长beta=2.*pi/lambda;N=15;t=0:0.01:2*pi;d1=lambda/4; %没有栅瓣效应的边射阵，即间隔d<波长W1=beta.*d1.*cos(t); %定义kdcos(方向角)z1=(N/2).*W1;z2=(1/2).*W1;F1=sin(z1)./(N.*sin(z2));K1=abs(F1);d2=lambda*1.5; %有栅瓣现象的边射阵，即间隔d>波长W2=beta.*d2.*cos(t); %定义kdcos(方向角)z3=(N/2).*W2;z4=(1/2).*W2;F2=sin(z3)./(N.*sin(z4));K2=abs(F2);figure(1)subplot(121);polar(t,K1);title('边射阵 f=30GHz,N=15,d=1/4波长'); subplot(122);polar(t,K2);title('边射阵（有栅瓣） f=30GHz,N=15,d=1.5倍波长');三、%-----------------均匀直线阵列天线的应用之二：普通端射阵clcclear allf=3e10; %30GHz,厘米波i=1; %天线电流值lambda=(3e8)/f; %lambda=c/f 波长beta=2.*pi/lambda;N=15;t=0:0.01:2*pi;d1=lambda/4; %没有栅瓣效应的普通端射阵，即间隔d<1/2波长W1=beta.*d1.*cos(t); %定义kdcos(方向角)z1=((N/2).*W1)+N/2*beta*d1;z2=((1/2).*W1)+1/2*beta*d1;F1=sin(z1)./(N.*sin(z2));K1=abs(F1);d2=lambda*0.7; %有栅瓣现象的普通端射阵，即间隔d>1/2波长W2=beta.*d2.*cos(t); %定义kdcos(方向角)z3=((N/2).*W2)+N/2*beta*d2;z4=((1/2).*W2)+1/2*beta*d2;F2=sin(z3)./(N.*sin(z4));K2=abs(F2);figure(2)subplot(121);polar(t,K1);title('普通端射阵 f=30GHz,N=15,d=1/4波长'); subplot(122);polar(t,K2);title('普通端射阵（有栅瓣） f=30GHz,N=15,d=0.7倍波长');四%-----------------均匀直线阵列天线的应用之三：强方向性端射阵clcclear allf=3e10; %30GHz,厘米波i=1; %天线电流值lambda=(3e8)/f; %lambda=c/f 波长beta=2.*pi/lambda;N=15;t=0:0.01:2*pi;d1=lambda/4; %没有栅瓣效应的强方向性端射阵，即间隔d<(1/2波长)*(1-1/N)W1=beta.*d1.*cos(t); %定义kdcos(方向角)z1=((N/2).*W1)+N/2*(beta*d1+pi/N);z2=((1/2).*W1)+1/2*(beta*d1+pi/N);F1=sin(pi/2/N).*sin(z1)./(sin(z2));K1=abs(F1);d2=lambda*0.5; %有栅瓣现象的强方向性端射阵，即间隔d>1/2波长*(1-1/N) W2=beta.*d2.*cos(t); %定义kdcos(方向角)z3=((N/2).*W2)+N/2*(beta*d2+pi/N);z4=((1/2).*W2)+1/2*(beta*d2+pi/N);F2=sin(pi/2/N).*sin(z3)./(sin(z4));K2=abs(F2);figure(3)subplot(121);polar(t,K1);title('强方向性端射阵 f=30GHz,N=15,d=1/4波长');subplot(122);polar(t,K2);title('强方向性端射阵（有栅瓣）f=30GHz,N=15,d=0.5倍波长');。

阵列天线方向图MATLAB仿真一．实验要求1.运用MATLAB仿真16单元阵列天线的方向图。

2.变换θ和d观察曲线变化。

二．实验原理1.阵列天线：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。

2.方向图原理：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。

三、仿真结果16单元天线方向图，θ=0°，d=2/λ16单元天线方向图，θ=0°，d=λ16单元天线方向图，θ=20°，d=2/λ16单元天线方向图，θ=20°，d=λ结果分析：经过仿真结果实现了16单元天线方向图，并分别在d=2/λ时在θ=0°，θ=20°方向形成波束。

在d=λ时，通过对比d=2/λ时的曲线可以发现随着阵元之间间隔的增加，方向图衰减越快，主次瓣的差距越大，次瓣衰减越快，效果越好。

四、源代码1. clear;theta=-pi/2:0.01:pi/2;lamda=0.03;d=lamda/2;n1=16;beta=2*pi*d*sin(theta)/lamda; z11=(n1/2)*beta;z21=(1/2)*beta;f1=sin(z11)./(n1*sin(z21));F1=abs(f1); figure(1);plot(theta,F1,'b');xlabel('theta/radian');ylabel('amplitude');legend('n=16');2. clear;theta=-pi/2:0.01:pi/2;lamda=0.03;d=lamda;n1=16;beta=2*pi*d*sin(theta)/lamda; z11=(n1/2)*beta;z21=(1/2)*beta;f1=sin(z11)./(n1*sin(z21));F1=abs(f1); figure(1);plot(theta,F1,'b');xlabel('theta/radian');ylabel('amplitude');legend('n=16');3. clear;theta=-pi/2:0.01:pi/2;lamda=0.03;d=lamda/2;n1=16;beta=2*pi*d*(sin(theta)-pi/9)/lamda; z11=(n1/2)*beta;z21=(1/2)*beta;f1=sin(z11)./(n1*sin(z21));F1=abs(f1); figure(1);plot(theta,F1,'b');xlabel('theta/radian');ylabel('amplitude');legend('n=16');4. clear;theta=-pi/2:0.01:pi/2;lamda=0.03;d=lamda;n1=16;beta=2*pi*d*(sin(theta)-pi/9)/lamda; z11=(n1/2)*beta;z21=(1/2)*beta;f1=sin(z11)./(n1*sin(z21));F1=abs(f1); figure(1);plot(theta,F1,'b');xlabel('theta/radian'); ylabel('amplitude'); legend('n=16');。