摘 要

在教育和科研领域，通常会涉及到许多实验，为了达到教学和科研效果，传统实验需要消耗大量的人力、物力和财力，且受限颇多。这些原因促使着人们寻求更高效的解决办法，虚拟仿真实验的出现很好地解决了这一问题，虚拟实验主要在计算机上完成，可以很好地弥补传统实验的缺陷。

两者相比较，虚拟仿真实验具有以下优点，首先它基本突破了时空限制，用户可以在任意时间开展实验，降低时间成本；虚拟实验实现了复杂实验设备的简化，降低物质成本，节省空间；在演示一些抽象的数学和物理问题时，虚拟实验结果更加直观和容易理解，这有利于提升实验效率和质量。

鉴于虚拟仿真实验的种种优点，涉及到复杂且抽象的电磁场理论的天线实验便采用了这种方法。本文是基于Matlab的均匀直线阵列天线虚拟仿真实验设计，利用Matlab的图形用户界面来展示均匀直线阵列天线的方向图，并研究其辐射特性。在虚拟仿真实验平台上，我们可以查看天线阵列的种种特性，比如E面方向图、H面方向图和3D方向图等，通过控制输入参数，即天线元数、天线间距离、天线长度和电流相位差来观察天线阵辐射场的变化，查看各参数对阵列天线方向图的影响，从而得出阵列天线方向性和主瓣宽度的变化规律，明白天线设计的原理。

关键词：Matlab；均匀直线阵列天线；虚拟仿真；天线方向图

Abstract

In the field of education and scientific research, many experiments are usually involved. In order to achieve the teaching and research results, traditional experiments sometimes consume a lot of manpower, material resources, and financial resources, and are limited. These reasons motivate people to seek more efficient solutions. The emergence of virtual laboratories has solved this problem well. Virtual experiments are mainly completed on computers and can well compensate for the shortcomings of traditional experiments.

Comparing the two, the virtual simulation experiment has the following advantages. First of all, it basically breaks the space-time limitation, users can carry out experiments at any time, and at the same time realize the simplification of complex experimental equipment and save space. And it greatly reduces the time cost and material cost. As well as demonstrating some abstract mathematical and physical problems, the results of virtual experiments are sometimes more intuitive and easier to understand, which is conducive to improving the efficiency and quality of experiments.

In view of the various advantages of virtual experiments, antenna experiments involving complex and abstract electromagnetic field theory have adopted this method. This paper is based on Matlab's uniform virtual array antenna virtual simulation experimental design, using Matlab's graphical user interface to display the uniform linear array antenna pattern, and study its radiation characteristics. On the virtual simulation experiment platform, we can look at various characteristics of the antenna array, such as the E-plane pattern, the H-plane pattern, and the 3D pattern, etc., by controlling the input parameters, namely the number of antenna elements, distance between antennas, antenna length and current Phase difference to observe the changes of the radiation field of the antenna array, to see the influence of various parameters on the antenna pattern of the array, so as to obtain the variation rule of the array antenna directivity and main lobe width, and understand the principle of antenna design.

Key Words: Matlab; ranging; uniform linear array antenna; virtual simulation; antenna pattern

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景、目的和意义 1

1.2 虚拟仿真技术的发展及研究现状 1

1.3 本论文的主要工作 3

第2章 天线基本原理 4

2.1 天线方向图及其有关参数 4

2.2 对称振子天线基本结构 5

2.3 阵列天线 6

2.3.1 二元阵 7

2.3.2 均匀直线阵列天线 8

第3章 虚拟仿真系统界面设计 10

3.1 界面内容设计 10

3.2 Matlab GUI简介 10

第4章 均匀直线阵列天线仿真分析 12

4.1 实验界面操作简介 12

4.2 实验仿真分析 13

4.2.1 仿真界面 13

4.2.2 改变阵元数 14

4.2.3 改变天线长度 16

4.2.4 方向图随天线元数n变化图 17

4.2.5 方向图随天线距离d变化图 18

第5章 结论 19

参考文献 20

附录 21

致谢 32

第1章 绪论

1.1 课题研究背景、目的和意义

本实验是基于Matlab的均匀直线阵列天线虚拟仿真实验。通过虚拟仿真技术构造一个虚拟的系统来模拟真实的系统，使用户在虚拟系统中可以有不亚于真实系统的听觉、视觉和触觉等感觉^[1]，甚至还可以模拟出在真实系统中肉眼不可见肉体不可感知但却真实存在的系统特性。本次设计以均匀直线阵列天线为主题，利用Matlab软件为我们展示虚拟仿真实验的实现方法。

均匀直线阵列天线的天线特性包括：天线排列方式、天线E面方向图、H面方向图和主瓣宽度等，通过探索天线方向图的变化规律来说明阵列天线的构造原理。天线电磁场特性的获取需要复杂的数学计算，因此具有强大的数值计算能力的Matlab很好地满足了这一要求。同时Matlab强大的可视化功能也为我们制作虚拟仿真实验平台带来了便利^[2]。Matlab的图形用户界面操作简单，其编程语言相较于java或c语言来说更易于理解，用户能更为容易地实现自己的设想。

本设计最后得到一个类似于线上虚拟实验室的图形用户界面(GUI)，用户可以在这个实验平台上完成均匀直线阵列天线的相关实验。不同于传统的实物教学，虚拟实验可以很好的节省成本，并且利于维护，在实现教育普惠性的同时达到预期的教学质量，甚至可以突破时空限制，加深学生对实验的理解，使实验过程更全面立体。

1.2 虚拟仿真技术的发展及研究现状

虚拟仿真技术一般建立在计算机的基础上，虚拟仿真技术的理论和技术基础包括相似原理、控制论、系统论和信息技术等，其实现工具主要有计算机以及相关专用物理设备，虚拟仿真技术是借助虚拟系统模型对实际或预想设备进行动态实验的技术^[3]。虚拟仿真技术在许多领域都大放异彩，包括虚拟仿真制作、仿真测试、仿真模拟训练等。计算机虚拟仿真技术的基本原理可以概述为通过利用物理和数学建模的方式抽象、映射、描绘和再现真实环境中的客观物质或现象，以大量的数据和系统原理为支撑，在计算机上建立虚拟仿真环境，最后可以让用户对现实生活中的客观事物包括军事系统、自然环境以及人类行为等进行模拟与研究。与利用真实系统进行的试验相比，虚拟仿真技术具有安全性能高、经济成本低、不受天气和时空限制、可重复等显著优势。

最初的计算机虚拟仿真技术只是用来模拟某些简单的物理现象和设备等，但是随着人们对虚拟系统使用需求的提高，虚拟仿真技术得到了快速的发展并且开始在普罗大众的生活中蔓延普及。现如今，我们可以看到它在各种复杂系统的模拟中大放异彩。在教育，科研，航天，军事甚至娱乐等领域我们都可看到虚拟仿真的身影。比如各大高校的虚拟实验室，气象系统、核爆的计算机模拟，还有近年来大热的的VR技术，即虚拟现实技术。有别于传统的虚拟仿真技术，VR技术使用户在虚拟环境中不仅有传统的视觉和听觉，甚至还有逼真的触觉和嗅觉感受。更为不可思议的是，用户与虚拟环境之间的交互不仅仅局限于传统的按键式操作，我们还可以通过原始的人类行为比如手势、眼球转动、语言或者其他肢体动作来和虚拟环境进行沟通，同时虚拟环境还可以实时地做出相应的反应^[4]。

纵观虚拟仿真技术的发展历程，最先应用这一技术的是军事领域。二十世纪五十年代，美苏开始冷战，直到1991年苏联解体冷战结束，在冷战期间出现两国之间的军备竞赛。受紧张的国际局势的影响，虚拟仿真技术开始应用于洲际弹道导弹的研发、美苏两国各自的登月计划以及核电站的模拟运行等。在七十年代中期左右，许多民用领域也开始应用虚拟仿真技术，例如航空公司对飞机驾驶员的培训。从二十世纪八十年代开始，计算机技术获得巨大发展，信息时代到来，计算机技术与仿真技术相结合，产生了全新的计算机虚拟仿真技术， 并且开始在电子产品开发与设计、仪表制造、模拟训练等各生产生活领域大规模地应用。

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