模糊控制及其MATLAB仿真.pdf
主要讲解模糊控制理论在MATLAB系统的中的应用前言自动控制理论经历了经典控制和现代控制两个重大发展阶段,已经相当完善。然而,对于许多复杂庞大的被控对象及其外界环境,有时难以建立有效的数学模型,因而无法采用常规的控制理论做定量分析计算和进行控制,这时就要借助于新兴的智能控制。智能控制是人工智能、控制论和运筹学相互交叉渗透形成的新兴学科,它具有定量和定性相结合的分析方法,融会了人类特有的推理、学习和联想等智能。模糊控制是在智能控制中适用面宽广、比较活跃且容易普及的一个分支。人类在感知世界、获取知识、思维推理、相互交流及决策和实施控制等诸多的实践环节中,对知识的表述往往带有“模糊性”的特点,这使得所包含的信息容量有时比“清晰性”的更大,内涵更丰富,也更符合客观世界。1965年美国的控制论专家L.A. Zadeh教授创立了模糊集合论,从而为描述、硏究和处理模糊性事物提供了一种新的数学工具。模糊控制就是利用模糊集合理论,把人的模糊控制策略转化为计算机所能接受的控制算法,进而实施控制的一种理论和技术。它能够模拟人的思维方式,因而对一些无法构建数学模型的系统可以进行有效的描述和控制,除了用于工业,也适用于社会学、经济学、环境学、生物学及医学等各类复杂系统。由于模糊控制应用广泛、便于普及,不仅许多高等学校开设了模糊控制课程,而且不少工程技术人员也渴望了解和学习这方面的知识。集作者多年从事“模糊信息处理”、“模糊控制”方面的科研和教学经验,编写了这本模糊控制方面的入门书。本书在选材、安排上均遵从“入门”和“实用”的原则,着重介绍模糊控制的基本概念、基本原理和基本方法。本着“重视实用性和可操作性”的工程教育思想,内容选取和叙述形式不追求“理论的高深和数学推导的严谨”,在学术性和实用性发生冲突时,学术性服从实用性。本书主要内容包括模糊控制的数学和逻辑学基础、模糊控制器的设计、模糊控制系统的仿真及神经网络在模糊控制中的应用。在介绍模糊控制的理谂时,按照模糊控制的需要介绍必要的基础理论和基本知识,而不是把模糊控制仅仅看作模糊理论的一种应用,片面追求模糊理论的系统性和完整性,致使读者在模糊数学和模糊逻辑的演算上花费很多精力。在介绍模糊规则的生成方法时,不仅介绍了根据操作经验建立规则的常用方法,而且通过实例介绍了从系统的输入、输出数据中获取模糊规则的方法在介绍模糊控制器时,集中介绍了实用范围较广的两种类型模糊控制器:Maπdani型和 Sugeno型。前一种模糊控制器的输λ量和输出量都是模糊子集,输出量需要经过清晰化才能用于执行机构;而后一种模糊控制器的输入量是模糊子集,输岀量为数字量,可以直接用于推动执行机构考虑到科技工作者学习模糊控制理论时需要实践及其实际需求,把模糊控制理论和计算机仿真进行了有机融合,较详细地介绍了 MATLAB仿真技术及其在模糊控制方面的应用通过仿真练习,弥补了学习理论过程中难以实践的缺陷,加深对模糊控制的理解,也使在解WW. 9CAX COI决实际问题时有所借鉴,为进一步深入学习和应用模糊控制理论打下良好的基础。神经网络是智能控制的一个重要分支,本书简要介绍了它在模糊控制中的应用,着重举例介绍了 MATLAB中“自适应神经模糊系统”的使用方法。本书配有教学课件,可从北京交通大学出版社网站下载,或发邮件至 cbswce( jg.bitu.edu.cn或aushi@126.com索取。吴嫦娥编辑对本书的出版起了极大的推动作用,在此深表谢意!由于模糊控制领域的理论目前尚不成熟,还存在许多未解难题,虽然作者在“模糊领域”有十余年的科研教学经验,但毕竟水平有限,恳请广大读者不吝赐教!编者(E mail: aushixm(a 126. com)2008年3月WW. 9CAX COI目录第1章引言………………………………………………………(1)1.1自动控制理论的发展历程……………………………………………………(1)1.2智能控制概况………………(2)1.2.1智能控制的发展简况………………………………………………………………(2)1.2.2智能控制的几个重要分支…1.3模糊控制,,,,,.,,,………(6)1.3.1模糊控制解决的问题…(7)1.3.2模糊控制的发展简史…………………………………………………………(7)1.3.3模糊控制的特点及展望…(9)思考与练习题………………………………………………………………………(10)第2章模糊控制的数学基础……………………………………………………(11)2.1清晰向模糊的转换·(11)2.1.1经典集合的基本概念………………………………………………………………(11)2.1.2模糊集合………………………………………………………………(14)2.2隶属函数…………………………………………………………………………………(22)2.2.1确定隶属函数的基木方法…………………………………………………(23)2.2.2常用隶属函数2.3F集合的运算………………………………………………(26)2.3.1F集合的基本运算………………………………………………(26)2.3.2模糊集合的基本运算规律………………………………………………………(29)2.3.3F集合运算的其他定义………………………………………………………(31)2.4模糊关系及其运算……………………………………………………………(32)2.4.1经典关系……(32)2.4.2模糊关系………………………………………………………………(34)2.4.3模糊关系的运算…………………………………………………………………(382.4.4F关系的合成…………………………………(40)2.5模糊向清晰的转换…………………………………………………………(45)2.5.1模糊集合的截集………………………………………………………(45)2.5.2模糊关系矩阵的截矩阵…(47)2.5.3模糊集合转化为数值的常用方法…(47)思考与练习题………………………………………………………………………(51)第3章模糊控制的逻辑学基础……………………………………………………………(53)3.1二值逻辑简介……………………………………………………………………(53)1判断WW. 9CAX COI3.1.2推理……………………………………………………………………(58)3.2自然语言的模糊集合表示……………………………………………………(59)3.2.1一些自然词语的F集合表示……………(59)3.2.2糢糊算子…………………………………………………………………(60)3.3模糊逻辑和近似推理……………(63)3.3.1模糊命题……………………………………………………(64)3.3.2常用的两种基本模糊条件语句…………………………………………………(65)3.3.3近似推理及其合成法则…(74)3.4T-S型模糊推理…………………………………………………………(81)3.4.1双输入、单输出系统的T-S型糢糊推理模型…………………………………(81)3.4.2MISO系统的TS模型………………………………………………………………(85)思考与练习题…(87)第4章模糊控制器的设计………………………………………(89)4.1模糊控制系统的基本组成………………(89)4.1.1从传统控制系统到模糊控制系统…………………………………………………(89)4.1.2模糊控制器的结构………………………………………………………………(92)4.2 Mamdani型模糊控制器的设计…(93)4.2.1 Mamdani型模糊控制器的基本组成…………(93)4.2.2量化因子和比例因子……………………………………………(94)4.2.3模糊化和清化……………………………………………………(98)4.2.4模糊控制规则……………………………………………………………………(102)4.2.5模糊自动洗衣机的设计…………………………(113)4.3T-S型模糊控制器的设计…(117)1.3.1T-S型模糊模型(118)4.3.2T-S型模糊系统设计要点………………………………………………………(121)4.4F控制器和PID控制器的结合…(121)4.4.1F-PID复合控制器……………………………(121)4.4.2F-PID复合控制器的其他形式………(122)4.4.3用模糊控制器调节PID控制器的参数………………………………(123)思考与练习题……………………………………………………………………………(125)第5章模糊控制系统的 MATLAB仿真…………………………………(127)5.1 Simulink仿真入门……………………………………………(127)5.1.1 MATLAB中的仿真模块库…………………………………………(128)5.1.2仿真模型图的构建……………………………………………………(135)5.1.3动态系统的 Simulink仿真……5.2模糊推理系统的设计与仿真………(149)5.2.1模糊推理系统的图形用户界面简介·..···,····,·············………(149)5.2.2模糊推理系统编辑器…………………………………………………………(150)2.3隶属函数编辑器…(156)WW. 9CAX COI5.2.4模糊规则编辑器…(161)5.2.5模糊规则观测窗…………(172)5.2.6FIS输出量由面观测窗………(179)5.2.7用GUI设计 Mamdani型模糊系统举例……………………………………(182)5.2.8用GUI设计 Sugeno型模糊系统举例……………………………………(189)5.3模糊控制系统的设计与仿真…………………………………………………(196)5.3.1FIS与 Simulink的连接………………………………………………………(196)5.3.2构建模糊控制系统的仿真模型图…(200)5.3.3通过仿真对系统进行分析……………………………………………(208)考与练习题……………………………………………………………………………………(218)第6章神经网络在模糊控制中的应用……………………………………………(219)6.1神经网络的基本原理…(219)6.1.1神经网络发展历史…(219)6.1.2神经元的生理结构……………………………………………(221)6.1.3神经元的数学模型…………………………………………………………(222)6.1.4人工神经网络模型…………………………………………………………(224)6.1.5神经网络模型的学习方法……(225)6.1.6BP型神经网络原理简介……………………………(227)6.2神经模糊控制……着,,,着……………(228)6.3用自适应神经模糊系统建立FIS…………………………………………(229)6.3.1 ANFIS图形用户界面简介,,,,·,.,··.,,.,·,·,着,,里,,,,,,·,,··,,,·,.·,·,,·(229)6.3.2用 Anfis建立FIS的步骤…………………………………………(233)6.3.3用 Anfis建立FIS举例……………………………………………………(245)思考与练习题(255)参考文献………………………………………………………………………………(256)ⅢlWW. 9CAX COI第1章引言本章介绍自动控制学科发展的历史概况,叙述从开环控制到智能控制的发展进程,并简单介绍智能控制的几个主要分支——专家控制、模糊控制和神经网络控制1.1自动控制理论的发展历程自动控制就是在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置(控制器),使机器、设备或生产过程(被控对象)的某个工作状态或参数(被控量),能够自动地按照设定的规律或指标运行的设备或系统。自从美国数学家维纳在20世纪40年代创立控制论以来,自动控制从最早的开环控制起步,然后是反馈控制、最优控制、随机控制,再到自适应控制、自学习控制、自组织控制,直发展到自动控制的最新阶段——智能控制。整个自动控制理论的发展进程,是由简单到复杂、由量变到质变的辩证发展过程,如图1-1所示。智能控制但会买继智能控制自学习控制自适应控制,鲁棒控制现代控随机控制最优控制确定性反馈控制开环控制控制系统的复杂性图1-1控制科学的发展过程传统控制理论经历过经典控制理论和现代控制理论两个具有里程碑意义的重要阶段,它们的共同点都是基于被控对象的清晰数学模型,即控制对象和干扰都得用严帑的数学方程和函数表示,控制任务和目标一般都比较直接明确,控制对象的不确定性和外界干扰只允许在很小的限度内发生个系统的数学模型就是对系统运动规律的数学描述,微分方程、传递函数和状态方程是描述控制系统的三种最基本的数学模型,其中微分方程是联系其他两者的纽带。经典控制理论主要研究单变量、常系数、线性系统数学模型,经常使用传递函数为基础的频域分析法;现代控制理论主要研究多输入-多输出线性系统数学模型,经常使用微分方程或状态方WW. 9CAX COI模糊控制及其 MATLAB仿真程为基础的时域分析法。传统控制方法多是解决线性、时不变性等相对简单的被控系统的控制问题,这类系统完全可以用线性、常系数、集总参量的微分方程予以描述。但是,许多实际的工业对象和控制目标常常并非都是如此理想,特别是遇到系统的规模庞大、结构复杂、变量众多,加之参数随机多变、参数间又存在强耦合或系统存在大滞后等错综复杂情况时,传统控制理论的纯粹数学解析结构则很难表达和处理。由于硏究对象和实际系统具有非线性、时变性、不确定性、不完全性或大滞后等特性,无法建立起表述它们运动规律和特性的数学模型,于是便失去了进行传统数学分析的基础,也就无法设计出合理的理想经典控制器。况且,在建立数学模型时一般都得经过理想化假设和处理,即把非线性化为线性,分布参数化为集中参数,时变的化为定常的,等等。因此,数学模型和这些实际系统的巨大差距,使之很难对其实现有效的传统自动控制,于是便出现了某些仿人智能的工程控制与信息处理系统,产生和发展了智能控制大量的生产实践表明,有许多难以建立数学模型的复杂系统和繁难工艺过程,可以由熟练技术工人、工程师或专家的手工操作,依靠人类的智慧,能够获得满意的控制效果。例如,欲将一辆汽车倒入指定的车位,确实无法建立起这一过程的数学模型。然而熟练的司机却可以非常轻松地把它倒入预定的位置。类似的问题使人们自然想到,能否在传统控制中加人人类的认知、手工控制事物的经验、能力和逻辑推理等智能成分,充分利用人的操作技巧、控制经验和直觉推理,把人的因素作为一个有机部分融入控制系统呢?能否根据系统的实际输入、输出类似于熟练技工那样进行实时控制,甚至使机器也具有人类的学习和自适应能力,进而用机器代替人类进行复杂对象和系统的实时控制呢?1.2智能控制概况20世纪60年代以来,由于空间技术、计算机技术及人工智能技术的发展,控制界学者在研究自组织、自学习控制的基础上,为了提高控制系统的自学习能力,开始注意将人工智能技术与方法应用于工程控制中,逐渐形成了智能控制。1.2.1智能控制的发展简况所谓智能控制,就是通过定性和定量相结合的方法,针对被控对象和控制任务的复杂性、不确定性和多变特性,有效自主地实现繁杂信息的处理、优化和判断,以致决策,最终达到控制被控系统的目的。智能控制的诞生1966年,J.M. Mendal首先提出将人工智能技术应用于飞船控制系统的设计;其后,1971年,美籍华人科学家傅京逊首次提岀智能控制这一概念,并归纳了三种类型的智能控制系统①)人作为控制器的控制系统:这种控制系统具有自学习、自适应和自组织的功能。②人-机结合作为控制器的控制系统:机器完成需要连续进行的、快速计算的常规控制任务,人则完成任务分配、决策、监控等任务。③无人参与旳自主控制系统:用多层智能控制系统,完成问题求解和规划、环境建模、WW. 9CAX COI第1章引言传感器信息分析和低层的反馈控制任务,如自主机器人。1985年8月,美国电机及电子工程师学会( Institute of Electrical and Electrical Enginers,IEEE)在纽约召开了第一届智能控制学术讨论会,随后成立了智能控制专业委员会;1987年1月,在美国举行第一次国际智能控制大会,标志着智能控制领域的形成。智能控制即含有人类智能的控制系统,它具有学习、抽象、推理、决策等功能,并能根据环境(包括被控对象或被控过程)信息的变化做岀适应性反应,从而使机器能够完成以前只能由人可以完成的控制任务。2.智能控制的三元论智能控制是一门交叉学科,傅京逊教授于1971年首先提出智能控制( Intelligent Control,IC)是人工智能与自动控制的交叉,即智能控制的二元论。在此基础上,美国学者G.N. Saridis于1977年引入运筹学,提出了三元论的智能控制概念,认为智能控制是人工智能( Artificial Intelligence,AⅠ)、自动控制( Automatic control,AC)和运筹学(Operational research,OR)等形成的交叉学科,即IC=AI∩AC∩OR,它们的含义如下:信号处理、形式语言AI—人工智能,是一个用来模拟人启发推理规划、调度、管理类思维的知识处理系统,具有记忆、学习、人工智能运筹学信息处理、形式语言、启发推理等功能学习、记忆可以应用于判断、推理、预测、识别、决智能控制协调、管理策、学习等各类问题;AC自动控制,描述系统的动力学自动控制特性,实现无人操作而能完成预设目标的一优化、动力学、动态反馈种理论体系,一般具有动态反馈功能;OR—运筹学,是一种定量优化方法,如线性规划、网络规划、调度、管理、优化决策和多目标优化方法等。图1-2智能控制的三元论示意图基于三元论的智能控制概念如图1-2所示。现在,为多数人所接受的三元论智能控制概念,除了“智能”与“控制”外,还强调了更高层次控制中的调度、规划和管理作用,为分层、递阶智能控制提供了理论依据。3.智能控制的特点在分析方法上具有定量与定性相结合的智能控制,应该具有以下一些功能。1)学习功能智能控制器能通过从外界环境所获得的信息进行学习,不断积累知识,使系统的控制性能得到改善。2)适应功能智能控制器具有从输入到输岀的映射关系,可实现不依赖于模型的自适应控制,当系统某一部分出现故障时,仍能进行控制。WW. 9CAX COI
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天线工程手册 - 林昌禄，聂在平
天线经典手册，人手一本参考文献303)第11章行波天线11.1行波人线的基本原理(305)11.2长线大线与V形天线菱形大线3104螺旋天线l1.5八木大线(324)l1.6表面波线(329)11.7漏波人线342)参与文献第12章宽频带天线12.1宽频带天线的基本概念12.2“宽带振子天线12.3加载天线(3692.4非频变大线(381)12.5宽频带喇叭大线(40212.6超宽频带接收天线(41012.7宽频带匹配技(413)参考文献第13章绒阵和平面阵13.1阵列线基础(4293.2线阵13.3平面阵13.4方向性和信噪比的最佳化13.5方向图综合(452参考文献(462)第14章微带天线463)概述(463)±4.2微带贴片大线466)14.3微带振子天线和微带隙缝天线(494)14.4宽频带、多频段和频率捷变技术(503)14.5微带线形天线与微带线阵5014.6微带面忤天线参考文献第15章喇叭天线(531)15.]通论15.2主模喇叭天线15.3双模喇叭天线547)15.4多模喇叭天线15.5波纹喇叭天线…56215.6组合喇叭人线15.7其他形式的喇58115.8校正喇叭口亩场的相位分布与透镜天线参考文献第16章反射面天线16·1基木方法和基木公式16.2单反射面天线—一抛物前天线16.3双反射亩天线16.4赋形双反射而天线610)6.5对称双镜天线的效分析6l2)6.6单偏置抛物亩人线16.7双偏置钷物面大线l6.8波束扫描反射面人线(628)6.9溅散板馈源天(638)喇叭抛物而天线(6416.1!抛物柱面天线16、12等强度线波束线(645)参若文献第17章相控阵天线6419)17.1相控:阵人线参数计算公式17.2料阵大线轴射方向性和旁瓣的挖制17.3阵元辐射器的选抒174移相器附遨择17.5相控忤馈电网络的设计(672)17.6相控阵天线的带宽678)17.7柑摔阵天线宽带和宽角匹配方法(681)17.8相控阵的暈化误差(684)17.9颛率扫描大线阵参考文献第18章信号处理天线与阵列倍号处理技术(693)(698.2倍号处理天线18.3自适应∵城滤波天线(718)4白适应抗扰大线系统(737)18.5空间谱估计技术(749第19章时域天线19.!时域人线的研究对象及指标(75l)9.2偶极天线(751)l9.3隙缝轴射器(754)19.4偶极子用作接收天线19.5加载天线19.6渐近线喇叭天线(756)19.7频率无关天线川时城人线19.8脉冲阵列天线75919.9时域凵径辋射及时域面大线19.10时域接收天线与发射天线的关系19.11馈电问题参考文献(769)第三篇天线应用第20章圆极化天线770)20.1引0.2圆极化波的特性与参数20.3圆极化器(7730.4电磁振子惻极化线0.5螺旋人线799)0.6隙缝闶极化天线20.7微带极化天线20.8反射器圆极化极化天线2(0.10其他圆极化天线与文献第21章长、中、短波和超短波通信天线21.!长、中波通信天线设计考虑2.2长、中波通信天线的基本形式及方问性1.3T型与T型大线214笼『型大线1.5高Q铁氧休加感人线(833)21.6短波通信天线设(8321.7水平极化与垂直极化知波通信天线1.8笕带短波通信人线21.9超短波通信天线设计(86721、10超短波接力通信大线1.于栘动通信873参考文献第22章卫星通信天线879)2.l卫星通倍天线发展状况(8792.2对称型双反射镜通信地球站天线的设计22.3对称双镜天线的赋形技术(892)224且星通信天线获得低旁瓣的办法22,5对称型双镜卩通信天线旁瓣源的分析与计算(907)2.6馈源的设计与选择22.7多波束星通信地球站天线22.8跟踪体制及选择参考文献939)第23章雷达天线9403.1达大线的般设计要求………23.2笔形泼束天线扇形波束天线23.4赋形波束人线—余割平方天线…(948)精密龈踪达天线一-单脉冲线及馈源设计(951)36H达天线的电扫描精度妓波束控制(96223.7超视进雷达大线23.8合成!径人线974)参考文献第24章测向天线980)24.)测向系统天线设计原则980)4.2测向系统单兀人线4.3测向系统的宽孔径天线(983244多波束测向24.5伏尔与多普勒伏尔地面天线992)塔康人线24.7仪表着陆系统和微波着陆系统天线(997248环境对测向线场性能的影24.9测向大线系统的误差分析与性能评估考文献第25章飞行体上的天线(I0235.1飞行体L的大25.2椭圆桂面和双曲柱上:的天线l025)253椭圆柱体上的天线园锥体上的天线(045)255椭球体上的天线(105025.6飞行体天线的电兼谷(1056)献第26章毫米波天线概述26.2反射面天线与亳米波馈26.3表衣面被与漏波大线264微带天线与其他的印制天线(I099)26.5集成大线(1108)参考文献第四篇相关论题第27章天线罩(1113般设计考虑(l11327.2外形与结构27.3材料选择(1115)274电磁性能设计参考文前第28章天线的雷达散射截面般概念(1143)28.2反射面天线的R(114728.3阵列人线的HCS1162大线RCS的减缩8.5天线H(S的测量参考文献第29章天线测量(119629.1天线测试场的设计与鉴定(1l969.2振幅方向图测量29.3增益测量(12l0294极化测量(l21929.5相位测量(1223)29.6近场测量(1226)29.7阻抗测量298模型天线法(1242)9.9射电源法(2439.10天线的时域测量参考文献第一篇天线基础第1章引1.1天线功能大线在无线电设备中的主裳功能有两个:第个是能量转换功能,第一个是定向镉射(或接收)功能能量转换功能是指导行波与自由空间波之间的转换,发射天线是将馈线引导的电磁波(高频电流)转换为向空问辐射的电磁波传向远方,接收天线是将空闾的磁波转换为馈线引导的电嵫波(高频电流)送给接收机定向作用是指线辐射或接收电磁波有定的方向性,根据无线电系统设备的要求,发射天线可把电磁波能量集中在一定方向轴射出去,接收天线可只接收特定方向传来的电憾波可以看出,发射天线和接收天线之间的关系类似于发电机与电动机之间的关系,前者是在导行波与自由河波之间往返变换,后者圳在机械能和电能之间往返变换,这种相似性表明:收、发天线之间存在着·定的可逆性。第二汽中4易原理的讨论将证明,只要天线中不含有非线件材料(如铁氧体器件),同一副天线用作发射和川作接收时,其基木特性保持不变。此,本于册中讨论的各种类型天线一般都不特别注明它是发射天线或是接收天线(除特殊应川场合外),都按发射天线处埋。1.2天线类型随着无线电技术的飞速发展和无线电设备应用场合的H靥扩展,已出现了适于不同用途种类繁多的天线,在天线工程设计中选择哪种类型大线很人程度上取决于特应川场合系统的电气和机械方面的要求阵列大线对品种繁多的大线进行分类是件十分难的事。若按工作性线、蛋达天线播天线、电视人线等:若按频段又可分为长波天10 K 100k IM IOM IG 10G 100(线、中波天线、短波天线微波线等。但这些分类法都显得笼不太科学因为有的线既可作发射又可作接收,甚至可收发共用;有的大线既叮用丁通信又可用背达;有的大线既适用于短波又适用于超知波甚至微波。很难将它归属于哪一类行业天线手册将从三个人的方面来讨论天线I程问题,即犬线基础、天线设计和天线应用。在大线分类上则按天线辐射方式进行,适当考虑天线结构、作频段和应川等判素。我们将天线分为四组人寸(/x基木类型:线元天线、行波天线、阵列大线和孔径大线。它们适用的频率范围和天线的大致电尺寸如图1-1所示。表1.1中举出图1-1天线分类些常用天线实例及属的天线类别当然,将天线类型简单地划分为这四红基本形式也仅是·种近似,不能说它十分严密的科学性,因为总还能找到一些例外。但这种分类法有利于读者对本于册的阅表1.1天线类型线元天线阵列大孔径天线单极天线侧射阵角铧喇叭偶极天线菱形天端射阵扇形喇叭螺旋天线直线阵员喇叨陈缠人平面阵多模喇叭载体大线对数时期天线圆形阵混合模喇叭微带天线慢曼波天线波纹喇叭加载大线快波大线信号处坪抛物而瘌叭有源天线漏波逗应阵仪锥大线表面波天线多波束阼单反射面天线鞭状夫线长介质棒天线相控阵双反射面天线密度加权阵球形反射面无线极低副瓣阵偏置反射面天线「焦反射面天线切割反射面天线孔径扫描天线透镜天线角形反射面大线背射人线1.3场区划分假设将发射大线置于图1-2所示球坐标系统的原点处,它向周围辐射电磁波,则其周围的电磁波功率密度(或场强)分布般都是距离r及角坐标(6,q)的函数。因此根据离开天线距离天线位置的不同,将天线周围的场区划分为感应场区,辐射近场区和辐射远场区感应场区感应场冈是指很靠近天线的区域。在这个场区里,电磁波的图t-2球坐标中的天线感应场分量远大于辐射场,而占优势的感应场之电场和磁场的时间相位相差90°,坡印亭矢量为纯虛数,因此,不辐射功率,电场能量和磁场能量柑互交替地贮存于天线附近的空间内。图1-3(a)所小电尺寸小的偶极天线,其感应场区的外边界是λ/2x。这里,入是工作波长。无限大孔径大线不存在感应场区,有限大孔径天线,在其中心区域感应场区仍可忽略,只是在孔径边缘附近存在感应场,感应场随离川天线距离的增加而极快衰减,超过感应场区后,就是辐射场占优势的辐射场区了。图1-3(6)所示电人寸大的孔径大线的帮射场区又分为近场区和远场区1.3.2辐射近场区辐射近场区里电磁场的角分布与离开大线的距离有关,即在不同距离处的天线方向图是不同的。这是因为:(a)由天线各辐射元所建立的场之相对相位关系是随距离而变的;(b)这些场的相对振幅也是随距离而改变的。在辐射近场区的内边界处(即感应区的外边界处),天线方向图是-个主瓣和副瓣难分的起伏包感应场区辐射远场区辐射近场区感应b)孔径天线(a)电尺小小偶坂天线图13天线周围的场区络。随饣离开线距离的增加,直到近远场辐射区时天线方向图的主瓣和副瓣才明显形成,但零点电乎和副辦电平均较3.3辐射远场区辐射近场区的外边就是轴射远场区。这个区域里的特点是:(1)场的大小与离开天线的距离成反比;(2场的角分布(即方问图)与离开天线的距离无关;(3)方向图瓣、鲥瓣和零值点已全部形成辐射远场风的起始边界通常规定为2D(1.1式中,R是从观察点到天线的距离,D足天线孔径的最大线尺寸在这个距离上,孔径中心与孔径边缘到观察点的行程差为边缘与中λ/16,相应的相仪差为225°如果在这个距离上对孔经天线的辐程差=k缘与中心射特性进行测量,其结果与在无穷远距离上测得的结果相差甚微程差=λ/4在【程上是完全可以接受的天线通常是用来向远场区传送能量,因此,天线上作者的主要兴趣也在这一区域上。对孔径线尺寸为D,孔径面上相位恒定的大电尺寸天线而言,远场区的大部分能量集中在±λD弧度的角空间内;在靠近天线的地方,能量主要集中在宽度为D的管道内,如图1-4所示。在近场区的起始部分,可认为辐射大体|是平平行波束区标准-3d点行的;在R≥D2/2A的过渡区域内,场以半角为A/D弧度的锥形向外发散,R=D2/2A处的孔径中心与边缘行程差为A;在R≥近场区R=2Da/k场区2D2/A处则是天线的辐射远场区场在近场区域内的细微变化情况是复杂的,它取决于孔径面图1-4孔径人线的辐射上的特定振幅分布,但流过任一近场“管道”截面的功率恒等于总的辐射功率、随着向远场区的接近,功率密度逐渐趋于1/R2规律变化4功率传输若收、发天线相互处于远场区内,相距为R,若已知发射功率为P1,问接收天线接收的功率为多少?这是-个很有实际用途的工程向题无论通信、需达或电视、播,只要是无线信总传输系统都会面临这题,它与天线特性密切相关,因此,下面进行简要讨论设收发天线设置的相对坐标如图1-5所示。发射线输入功率为P,天线效率为,则辐射功率将是P该辐射功率P住接收天线处产生的功率密度为日,q)D).(6,g)4πR
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