均匀传输线Matlab仿真分析 毕业论文.doc

中国计量学院 本科毕业设计（论文） 均匀传输线 matlab 仿真分析 the simulation analysis of uniform transmission lines for matlab 学生姓名 学 号 学生专业 通信工程 班 级 08 通信 1 班 二级学院 信息工程 指导教师 中国计量学院 2012 年 5 月 郑 重 声 明 本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经 注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内 容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文 中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。 学生签名： 日期： 分类号： tn015 密 级： 公开 udc： 654 学校代码： 10356 中国计量学院 本科毕业设计（论文） 均匀传输线 matlab 仿真分析 the simulation analysis of uniform transmission lines for matlab 作 者 学 号 申请学位 工学学士 指导教师 学科专业 通信工程 培养单位 中国计量学院 答辩委员会主席 评 阅 人 2012 年 5 月 致 谢 四年的大学生活即将结束，值此论文完成之际，我要向在我大学生涯中指导、 关心和帮助过我的老师、同学和朋友表示最诚挚的感谢！ 我首先要感谢通信专业的老师们的悉心指导和严格要求。专业课老师工作上的 踏实严谨、周到细致的作风和在学业上对我的谆谆教诲和悉心指导给我留下了深刻 的印象，让我获益终生！ 感谢所有对本文提出过宝贵意见和对本文进行评阅的专家、老师们。 最后，感谢所有帮助过我的朋友、同学以及老师，是你们的支持让我拥有了一 个美好的大学生活。 i 均匀传输线 matlab 仿真分析 摘要：随着科学技术的飞速发展，微波技术被广泛应用于工业，农业，生物医学， 军事，气象探测，遥感遥测，交通管制以及各种通信业务中，学科之间的相互渗透 不断加剧，在其他学科中应用微波理论和技术进一步深入研究的范例不断增多。传 输线作为传输电磁波的导波系统，对电磁波的传输性能直接关系到电磁波信息能量 的传送，越来越受到人们的重视，成为了很有意义的研究对象。但是电磁波在传输 线的传播比较抽象，有必要对其进行形象化、直观化研究。 tem 波场对应于电场有一电压波，对应于磁场有一电流波。本次毕业设计针对 常用的均匀有耗和无耗传输线，运用分布参数电路法，建立传输线等效电路，即 “化场为路” ，学习了传输线方程及其解，得出：传输线的电压、电流具有波的形式， 由向负载方向传输的入射波和向波源传输的反射波，这两列波叠加。并且对这一特 性进行了 matlab 仿真，在代码中通过改变负载阻抗的大小使均匀传输线分别工作在 行波状态，驻波状态和行驻波状态，观察并验证电压（电场）和电流（磁场）特性， 仿真结果与理论很吻合。有助于对传输线特性的进一步理解。 关键词：传输线；电压；电流；matlab 仿真. 中图分类号：tn015 ii the simulation analysis of uniform transmission lines for matlab abstract:along with the rapid development of science and technology，microwave technology is widely used in industry，agriculture, biological medicine, military, meteorological observation, remote sensing telemetry，traffic control and all kinds of communication in business,the mutual infiltration between subjects increasing,in other disciplines application of microwave theory and technology of the further research paradigm has increased.transmission lines as the electromagnetic wave transmission wave guide system,to the electromagnetic wave transmission performance directly related to information transmission of electromagnetic wave energy.so also get more and more attention ,and became very meaningful research object.as the electromagnetic wave transmit is abstract,it is necessary to study and make it more easy to understand. tem wave field corresponding to the electric field has a voltage wave, corresponding to the magnetic field has a current wave.the graduation design according to the commonly used even lossy and no lossy transmission line,using the distribution parameters of circuit, establish the equivalent circuit transmission line,explore the transmission line equation and the solution,draw:the transmission line voltage, current has the form of waves,the direction of transmission by to load the incident wave and the reflected wave transmission to the waves,the two columns wave stack.and simulate the characteristics of the transmission lines with matlab.in the code by changing the size of the load impedance uniform transmission lines to make it work at traveling wave state, standing wave state and line standing wave state.observe and test voltage (electric field) and current (magnetic field) properties,the simulation result with the theoretical is consistent,which help further understanding of the characteristics of transmission lines. key words: transmission line；voltage ； current ；matlab ； simulation classification:tn015 . iii 目次 摘要 i abstract.ii 目次 iii 1 绪论 1 1.1 研究背景及现状 .1 1.2 研究内容 .2 1.3 论文组织 .2 2 理论知识 .4 2.1 分布参数 .4 2.2 特性参量 .5 2.3 传输线方程及其解 .6 2.4 传输线工作参量 .9 2.5 传输线工作状态分析 .8 3 matlab 软件简介 .10 3.1 软件总述 10 3.2 图形用户界面 11 4 解决方案 .13 4.1 具体实施方案概述 14 4.2 程序设计框图 15 4.3 各子程序功能 17 5 总结 .29 参考文献 .30 附录 a .32 学位论文数据集 .40 中国计量学院本科毕业设计（论文） 1 1 绪论 1.1 研究背景及现状 近几年来随着电子科技的飞速发展，信息技术在国民经济和国防科技各个 领域的得到了广泛得应用，作为信息物理层载体的各种微波与高速电路，也有 较大发展。微波电路已经从最初的体积笨重、制造工艺和调试过程复杂，可靠 性差的基于波导或硬同轴线的结构形式，发展到以金属微带线作为传输线和连 接线的微波集成电路和单片微波集成电路，其集成度，可靠度和性能都大为提 高，成本也大大降低 1。 时变的电场产生时变磁场，时变磁场又产生时变电场，如此进行下去，变 化着的电场能和磁场能传播开去就形成了电磁波。导波是在含有不同媒质边界 的空间传播的电磁波，而这样的边界装置就是导波系统，它用来束缚和引导电 磁波传播。低频时，导线的长度以及导线间的距离相对电磁波的波长来说很小， 两导线产生的电流反向，在空间产生的磁场相互抵消，所以没有辐射损耗。但 当频率增大，导线的长度以及两线间的距离与波长相当时，两导线的电流在空 间建立的场不会相消，会产生辐射。导线的电阻损耗也增大。为了减小双导线 的辐射和电阻损耗，采用改进型的平行双导线。线径比较大，线间距较小，可 用于米波频率；频率继续增大，为避免辐射并进一步减小电阻损耗，有了同轴 线的应用，用于分米波和厘米波；到了毫米波波段时，同轴线横向尺寸变小， 内导体损耗很大，功率容量下降。理论和实践证明，可以去掉其内导体而做成 空心单导体导波系统即柱面金属波导，主要用于厘米波和毫米波；频率再升高， 发展了新的导波系统：介质波导。比如带状线、微带线等。 一般来讲，凡是能 够导引电磁波沿一定方向传输的导行波系统都称为传输线，对传输线的一般要 求：损耗小，工作频带宽，功率容量大，传输效率高，尺寸小，成本低。用的 最多的传输线形式是上述提到的同轴线，矩形波导，圆波导，带状线和微带线 2。 严格来讲，传输线是以 tem 导模的方式传输电磁波的导行系统。不过， 各种传输 te 模和 tm 模或其混合模式的波导中的电磁波沿纵向传播方向的分 布规律与 tem 横纵向传播方向分布规律相似，所以均可看成广义传输线，也 可以用等效传输线观点分析 3。针对均匀传输线的研究，主要有关于均匀传输 线方程的解的研究以及传输线在有耗和无耗两种情况下特性的研究。如分别从 时域和复频域两方面对传输线方程的求解方法进行的探讨 4； 利用数学物理方 程，分析并讨论了高频传输线中分布参数电路的特性及过渡过程。对均匀传输 线分布参数电路的讨论，阐述了低频与高频的不同分析方法 5；传输线因为终 端所接负载的不同，工作状态也会不一样，有行波，驻波，行驻波状态。反射 中国计量学院本科毕业设计（论文） 2 情况不同，对理想传输线上的稳恒电振荡进行分析，结论是 1/4 波长无耗传输 线某一端接交流电源，另一端开路则输入阻抗为零； 反之若另一端短路, 则输 入阻抗为无穷大 6；造成传输线上信号的衰减失真的原因有很多，其中7对因 衰减常数和非线性相位常数引起的信号衰减，运用傅里叶展开和 matlab 软 件作了详细的分析；文献89从均匀传输线方程出发, 给出稳态下电流或电压 波沿线分布规律, 在此基础上, 进一步讨论均匀传输线在无损耗弱损耗及一般情 况下的衰减常数和相速等传播特性。对两平行均匀传输线上电流波沿线分布规 律及传播特性进行了较为深入地讨论, 引入两个能综合反映传输性质的无量纲 常数；由此对传输过程进行了新的系统分类；对均匀传输线的阻抗分布所作分 析，表明：三种工作状态的阻抗分布符合统一表达式（即具有统一性 10） 。文 献11对均匀传输线系统特性做了分析总结，提出了传输线三种工作状态的统 一性。对于以常来数偏微分方程描述的一维波动分布参数系统变换为以时间为 独立变量的定常来统, 用已知的常系数常微分方程来统的状态空间分析做了定 性的判定 12。有损传输线方程是偏微分方程，正弦稳态解的手算求解比较复杂。 应用 pspice 对有损均匀传输线进行仿真分析,可得到传输线上任一点的电压、电 流的频率特性和正弦稳态波形 13。 1.2 研究内容 对于电磁波传输特性的分析，有场解法和微波等效电路解法 14，这些方法 构成传输线理论。集总参数和分布参数电路的分界线可以认为是电长度大于等 于 0.05。分布参数电路理论就是用分布参数电路的方法来研究 tem 波传输线 的一种理论，也是分析传输线的一种路的理论，tem 波传输线之所以可以用路 的方法来分析，其原因在于 tem 波场的横向分布与静场相同，从而对应于电 场有一电压波，对应于磁场有一电流波 15。 研究电压和电流的波动情况，其实就是研究传输线的电磁场特性。通过建 立传输线等效电路，复习传输线方程及其解 16；为了更好地理解和仿真验证方 程解的意义，研究学习传输线的各类参量，并用 matlab 语言编程，仿真直 观演示 传输线三种工作状态的电压、电流传输特性，并与理论结论形成对比， 以检验设计的准确。 1.3 论文组织 本文通过对传输线理论的学习，对传输线方程的解和电场、磁场特性进行 了 matlab 仿真分析，使抽象的传输线特性理论以波传动的方式直观表现出来， 有助于对传输线的传输特性的理解。 第一章 绪论 本章主要描述微波传输线的研究背景及研究现状，简介论文组织结构。 中国计量学院本科毕业设计（论文） 3 第二章 理论知识储备 本章对传输线的理论进行学习和理解，包括分布参数，特性参量，传输线 方程及其解，工作参量，工作状态分析等。 第三章 应用软件 matlab 简介 对 matlab 软件进行简要介绍，叙述了本设计重点用到的用户界面设计 模块 17-18。基于本设计的代码要用到很多回调函数，相对而言在量上比较大， 以附页的方式给出。 第四章 具体实施 根据以上的准备，运行所设计的代码关于传输线的特性，并对结果进行分 析验证说明。 第五章 全文总结 本章对本文的主要研究工作进行总结。 中国计量学院本科毕业设计（论文） 4 2 理论知识 2.1 分布参数 传输线是一个导行系统，信号是以电磁波的形式在导行系统附近或其内部 沿着传输线传播。分析电磁信号在传输线中的传输特性，一般由两种方法：一 种是电磁场理论，一种是电路分析理论。前者分析方法一般用于低频电路，传 输线的所有电场能都集中在电容器 c 中，磁场能全部集中在一个电感器 l 中， 而消耗的电磁能量集中电阻元件 r 和电导元件 g 上，所以分布效应可以忽略其 电路参数 lcr 是集总的。分布参数电路则不同，随着传输信号频率升高，传输 线上电压、电流随时间和传输线长度变化，电压、电流表达是要用偏微分方程 表示； 因为微波的频率高，波长短，电路元件的辐射损耗、导体损耗和介质损 耗增加，传输线间的电阻、电感电容以及电导互不可分，沿线随机分布，也随 之变化。所以常把传输线单位长度的电阻 r1、电感 l1、电容 c1、电导 g1， 统称为传输线的分布参数 ，也称为传输线的一次参数 20。 本次设计用了平行双导线来模拟实际传输线。 当频率升高到微波频段 （300mhz-3000ghz）后，由于集肤效应使传输线的损耗电阻加大，而且沿线 各处都存在损耗，此就是分布电阻效应。此外，导线周围沿线分布的高频磁场 产生分布电感效应。两导线之间存在沿线分布的高频电场将产生分布电容效应。 导线周围介质绝缘不理想而存在漏电，就是分布电导效应 3。传输线结构不同， 分布参数的计算公式不同，但总体而言，与导线的截面尺寸，线间距以及周围 介质的介电常数、磁导率、电导率有关。本次毕业设计所要研究的是沿线的分 布参数均为常量的传输线，即均匀传输线。当把分布电阻和分布电导忽略不计， 即均等于零时，就称为均匀无耗传输线。 2.2 特性参量 传输线的特性参量是指线的结构尺寸，填充媒质及工作频率所决定的量， 直接与传输线的分布参数有关，是传输线自身固有的。它用来描述传输线上单 向波的传输特性，有特性阻抗 z0，相波长 ，相移常数 ，相速度 和传输常pp 数 ，又被称作均匀传输线的二次参数。 传输线上的电压和电流不是孤立的，他们之间用特性阻抗来紧密相连，传 输线上行波电压与电流之比就是传输线的特性阻抗 z0。一般情况下，z 0 是个复 数，与工作频率有关。对于无耗传输线，传输线的特性阻抗为一实数并且与工 作频率无关。线的结构尺寸和填充介质一定时，z 0 是一个定数。 相波长 p 表示在同一时刻传输线上单向波的相位相差为 2 的两点间的距 离。相移常数 指每单位长度传输线上单向波的相位变化值 19。 中国计量学院本科毕业设计（论文） 5 相速度 定义为传输线上单向波的等相位面行进的速度。相速度只与传输p 线的填充介质有关，当填充介质为空气时相速度就等于光速，当为其他时，相 速度要小于真空中的光速 19。 传输常数 从能量观点来分析传输线对信号的传输效果。用来描述单位长 度传输线上入射波和反射波的衰减以及相位变化参数 20。 2.3 传输线波动方程概述 传输线是导行系统，用来约束和引导电磁波能量传输，一般有平行双导线， 同轴线，金属波导，介质波导等。tem 传输线，以平行双线为例，建立长线坐 标系 21。 图 2.1 传输线等效电路 z 轴方向从长线的终端指向始端，终端（z=0 处）接负载 zl，始端接微波 信号源（工作角频率是 ） ，即从负载处指向信号源。 传输线的波动方程为 23： .(2.1)02udz .(2.2)2i 其中， (相移常数 ) 1cl 对方程（2.1）和（2.2）进行求解。首先对于方程（2.1） ，可以看到，该方程 属于常系数齐次线性微分方程 ,对应的特征方程有两个反向的虚数根 j 与-j,24 因此得到电压、电流通解并通过欧拉公式转化到时域，就得到下列传输线电压， 电流方程通解的时域形式： u(z,t)= .(2.3)cos()cos( 21ztbzta i(z,t)= .(2.4)2010 tztz 中国计量学院本科毕业设计（论文） 6 从 （2.3） ， （2.4）两个式子可以明显看出，电压电流方程的解均由两部分组成， 且由特性阻抗 z0 联系起来。前一部分分别是入射电压波和入射电流波，即从等 效图中看，就是从电源传向负载。它的横坐标是逐渐变小的；后一部分分别是 反射电压波和反射电流波，从负载传向电源。 接下来可以用端接负载条件求出待定系数。一般情况下，给出的是负载处 (即 z=0)的电压 ul 的值和电流 il 的值所以只要用端接条件求出上面通解中的系 数： a =(ul+ilz0)/2 (2.5) b =(ul-ilz0)/2 .(2.6) 传输线在任何地方的电压、电流方程为 2： .(2.7)zlzeziueizu22)( 00 .(2.8) )1000 zzlzi 其中，传播常数 ,与分布参数和工作频率有关。(11cjgljr 均匀无耗和有耗传输线方程的解都已经求解出来，无耗均匀传输线方程的 电压，电流解表达为 19： .（2.9）)cos()cos(),( 21ztbztatzu （2.10）, 2010 tztzti 有耗均匀传输线方程的电压、电流解表达为： （2.11）re),( )()( tjztjzebatzu （2.12）, )(0)(0tjztjzzti 上面传输线方程解的表达式表明，传输线的电压电流具有波的形式，且由 两列波叠加，呈行驻波混合分布。所以传输线上传送的是合成波。这一点提示 了，在用户界面设计中，用同一个坐标轴显示入射波和反射波情况，用另一个 坐标轴显示合成波的传播状态，理论上讲，随着入射波和反射波的不断变化， 合成波也是不断相应地调整变化的。这在代码编程中，就要考虑在同一坐标轴 上，如何控制反射波的传导时间和空间。在这里，用了一个 t 变量，通过检测 坐标 z 的大小，就达到了效果。如下面框图所示： 中国计量学院本科毕业设计（论文） 7 运行 入射波 反射波 合成波 i=50 具体代码编写如下： n=100; for i=1:n; t=0.08*i; z=0.1*(50-(0:0.1:i); 因为入射波是从坐标轴右侧向坐标原点传播，所以这一 句，用来控制表示入射波。 z=0.1*(50:0.1:i)-50); （i=50）反射波是从坐标原点向右传播的，那么这一句 编码就可以用来控制表示反射波。 2.4 传输线工作参量 传输线的工作参量用来定量描述传输线的反射情况。所用的表示参量包括： 输入阻抗、反射系数和驻波比。 输入阻抗就是传输线上合成波的电压与电流之比，可以这样来理解输入阻 抗的意义，传输线上终端接负载 zl 后，始端所反映的阻抗。即，长度是 z 的 传输线段与终端负载组成的传输线电路的等效阻抗。并且随空间位置 z 的变化， 输入阻抗表现出了周期性和倒置性 23。 前面已经提到，传输线上任意一点的波是由入射波和反射波相叠加的。波 的反射是传输线最基本的物理现象，而传输线的工作状态业主要取决于反射情 况。一般分析电路时，采用的是终端负载反射系数来表达整个电路的反射情况。 反射系数是指传输线上某点的反射波与入射波之比。反射系数一般情形下是一 个复数。 传输线上有入射波和反射波，两者相互叠加形成驻波。入射波、反射波同 相叠加必然是最大的，反相叠加必然得到最小。传输线上电压振幅最大值和电 压振幅最小值之比称为电压驻波系数；电流的振幅最大值与电流的振幅最小值 之比称作电流驻波比，它们在数值上是相等的。 一般仅用电压驻波系数，用 表示 24。均匀无耗传输线上的驻波系数取决于终端连接负载，与空间位置 z 中国计量学院本科毕业设计（论文） 8 无关。 2.5 传输线工作状态分析 对于传输线而言（为方便起见，重点研究无耗或者小损耗传输线） ，终端所 接的负载阻抗不同，线上的反射情况就表现出很大的不同，电压电流的分布情 况也不一样，主要用来描述电信传输效率。有三种不同的工作状态，分别是无 反射的行波状态，全反射的纯驻波状态和部分反射的行驻波状态。 （1）行波状态 当负载阻抗等于传输线的特性阻抗，即 时，从信号源传向负载的信0zl 号被完全吸收，也就是说，此时的传输线上只有入射波，没有反射波。在具体 的仿真中，应该表现为反射波与空间横轴重合，振幅为零。行波状态是一种匹 配状态，输入阻抗等于负载阻抗，也等于特性阻抗；反射系数等于零；驻波比 是 1。行波状态的特点是 25： 电压、电流沿线的振幅不变。 电压、电流各点均同相，电压或电流的相位随 z 减小而滞后，线上是从 波源到负载的单向行波，合成波就是入射波。 因为没有反射波，反射功率为零，入射功率被负载完全吸收，所以传输 能量时所希望的就是行波状态。 （2）驻波状态 当信号源通过传输线传向负载的入射波在终端负载处发生了全反射（即反 射系数等于 1） ，反射波和入射波的幅度相等，入射波与反射波叠加形成驻波。 形成驻波的条件是：终端处短路，开路，或者接纯阻抗负载。纯驻波的特点： 电压、电流振幅随传输线的位置变化而变化。振幅最大值称为波腹，最 小值称为波节。驻波的波腹是入射波振幅的 2 倍，波节是零。 电压、电流随传输线的位置变化而变化，但不是均匀变化。相邻节点之 间各点的电压（或者电流)相位相同，节点两边的点的相位相反。 传输线上同一位置 z 处电压与电流的相位差 /2。电压沿线是正弦变化， 电流则是余弦变化。表现在仿真图上就是，电压波腹点对应着电流波节点，电 压达最大时，电流为 0 或者相反。所以在能量方面，驻波只有能量的存储而没 有能量的传输。 （3）行驻波是有部分反射的情况，传输线终端为一般负载，负载阻抗不等 于特性阻抗，反射波的振幅小于入射波的振幅，传输线上既有行波又有驻波， 称为行驻波。波节不为零，波腹也不等于终端入射波振幅的两倍 2。 由上述的分析知道，有耗线和无耗线在基本特性方面是一样的，传输线上 的电压和电流都是入射波和反射波在一起的叠加，而有耗线的入射波和反射波 的幅度都要沿着各自的传播方向呈指数衰减。 中国计量学院本科毕业设计（论文） 9 通过对上述理论知识的探究学习，对所研究的方向，需要做的内容有了清 晰明确的认识，更重要的是对理论知识的把握，使得后续的编程有条不紊，框 架清晰。 中国计量学院本科毕业设计（论文） 10 3 matlab 软件简介 3.1 软件总述 matlab 是 matrix 和 laboratory 前三个字母的缩写，意思是实验室矩阵。 matlab 语言是一种广泛应用于工程计算机数值分析领域的新型高级语言 22。 自 1984 年由美国 mathworks 公司推向市场以来，经过十多年的发展与完善， matlab 已发展成为由 matlab 语言、matlab 工作环境、matlab 图像 处理系统、matlab 数学函数库和 matlab 应用程序接口五大部分组成的集 数值计算、图形处理、程序开发为一体的功能强大的体系。被誉为第四代计算 机语言，是当今国际上最具影响力、最具活力的软件开发工具包，被誉为“巨人 肩上的工具” 23。 它提供了强大的科学计算功能、灵活的程序设计流程、高质量的图形生成 功能及模拟、便捷的与其他程序和语言接口的功能。matlab 在工程技术界也 被用来解决一些实际问题（比如数学模型问题） 24。本次课程设计主要运用了 该软件强大的编程、计算和绘图功能，以及便捷明了的图形用户界面设计。 3.2 图形用户界面 随着计算机技术的飞速发展和图形化操作系统的普及，应用程序的外观发 生了巨大变化。图形用户界面由窗口、按键、菜单、文字说明等对象构成的一 个用户界面。图形用户界面的应用程序，界面友好直观易操作，用户可以更方 便快捷地对复杂的程序进行运行，就像我们的手机桌面一样。matlab 作为功 能强大的软件开发工具，提供了丰富的图形用户界面设计功能，用户利用 matlab 提供的图形用户界面设计程序，完成应用程序的开发。 使用用户界面可以方便地创建 gui 应用程序，根据用户设计的 gui 布局， 自动生成一个 m 文件的框架，用户使用这一框架编制自己的应用程序， m 文件 有效地管理对象句柄、执行调用函数等工作，一方面管理全局变量，另一方面 为调用函数自动添加子函数。布局编辑器，集合排列工具，属性编辑器等这些 工具，大大减少了程序开发的代码量，使用灵活方便。 在 matlab 的命令窗口中输入 guide，确认后就打开了一个布局编辑器 窗口，通过选择左侧控件选项板里的所需控件进行布局。同时自动生成并存储 相应的 m 文件 24。如下图所示： 中国计量学院本科毕业设计（论文） 11 图 3.1 图形用户界面布局编辑器窗口 按照设计仿真需求，并且使布局美观紧凑，选择四个坐标轴，分别表示入 射波反射波形，合成波形，传输线示意图以及帮助信息提示框。各个控件，布 局如 有 耗 无 耗 入 射 波 和 反 射 波 传 输 线 示 意 图 电 压 电 流 start stop 帮 助 信 息 提 示合 成 波 info return 中国计量学院本科毕业设计（论文） 12 图 3.2 传输线仿真用户界面整体布局 本次设计运用 matlab 编程，实现对传输线方程解的仿真，同时观察验证无 耗和有耗传输线的电压、电流在三种不同工作状态的特性。在代码编写方面， 理论上来讲，思路严谨畅通，将第二章理论推得的解的表达式正确写入， matlab 就能自动对其进行分析，在布局窗口指定控件绘图得到仿真结果。 中国计量学院本科毕业设计（论文） 13 4 解决方案 4.1 具体实施方案概述 首先根据设计思路，打好框架，尽可能完整地展示出要仿真得到的传输线 特性,合理安排用户界面布局，在布局窗体上创建各种组件（比如按钮，静态文 本框，弹出式菜单等）使得功能全面美观，简洁紧凑；传输线有无耗和有耗两 类；传输特性有电压和电流两类；需要观察的波形有入射波，反射波情况；入 射波与反射波的叠加，即合成波情况；操作提示对话框（即帮助文本） ；理论提 示对比文本框；传输线本身示意图等。其中的单选按钮，运行控件按钮等都需 要回调响应函数。 本次课程设计运用到了 matlab 程序设计、matlab 绘图、matlab 图形句柄、matlab 图形用户界面设计。使用图形用户界面的应用程序，用户 可以很方便的通过鼠标点击选择与程序进行信息的交换，控制程序的运行。图 形用户界面的设计确定了应用程序的主要框架和基本功能，完成窗口、图标、 菜单、按钮等用户界面，只需要在自动生成的程序代码中添加控制代码，就可 以完成整个应用程序的设计了。用到的控件有： push button：分别命名为 “start”， “stop”， “info”“，return ”。用来触发主 程序绘图仿真。 radio button：单选按钮，用来选择传输线类型和特性类型。并且通过编程 使其具有互斥性。 axes：坐标轴控件，用来绘图电压波或者电流波和显示图片。坐标轴大小 通过编程改变。 text：文本编辑。用来做提示帮助对话框。 图形用户界面开发环境（guide）提供了一组用于图形用户界面开发的工 具，包括： 布局编辑器 ：在图形窗口中创建及布置图形对象。 几何排列工具：调整各对象之间的相互几何关系和位置。 属性编辑器：查询并设置对象的属性。 对象浏览器：获得当前 matlab 窗口中图形对象句柄的分级排列。 菜单编辑器：建立和编辑主菜单和图形对象的鼠标右键菜单。 参考相关指导书，查阅学习各句柄和控件的属性和用法，按照预设的框架 思路，一步一步完成了图形用户界面的设计。控件按钮的属性编辑器大大减少 了程序代码量，通过设置就能方便地实现，而且易于修改。而操作信息提示窗 口（info ）和理论指导窗口（return） ，因为整体布局有限，所以另设了窗口，其 实质是编辑一个空白的用户界面（blank guide）只要在窗口中添加文本编 中国计量学院本科毕业设计（论文） 14 辑区，通过调用就能显示了。下面是运行的一个整体结果： 图 4.1 运行用户界面程序的结果 可以从上图看出，左侧图一分别以两种颜色区别显示了入射波和反射波， 左侧图二是入射波与反射波的叠加，即合成波形。右侧图一是传输线示意图， 右侧图二是帮助信息提示框，因为布局有限，另设了窗口显示。右侧一列是各 个选择控件按钮布局。 单选按钮的互斥性利用了属性中的“value” ，通过获取 “value”值，就可 以达到二者选其一的目的。以传输线“无耗”和“有耗”的设计编码为例： h1=get(radio1,value); h2=get(radio2,value); if h1=1; string, 有耗,. value,0,. elseif h1=0; string, 有耗,. value,1, 可以看到，用户在界面选择后，当程序获得“无耗”的 value 值为 1， “有耗” 为 0；当获得“无耗”的 value 值为 0 时， “有耗”为 1。以同样的编码方式对 “电压” 、 “电流”的特性也是二选一，做到了选择的互斥性。使运行代码更加 精准。 4.2 程序设计框图： 运行用户程序打开主界面后，首先点击单选按钮框选择传输线类型，再选 择要仿真的传输线特性类型，点击“start”键，就能看到入射波和反射波，合 成波的传输情况， “stop”键用来随时暂停，打断正在运行的波的仿真传输演示 程序。具体设计框图如下： 中国计量学院本科毕业设计（论文） 15 图 4.1 整体设计框图 4.3 各子程序及其功能 本次用户界面的设计布局，共有四个单选按钮，即“有耗” 、 “无耗”、 “电压”、 “电流”。 四个控件按钮（push button） 。包括：“start”、 “stop”、 “info”、 “return”.其中 “stop”键，用来随时停止“start”回调函数的运行。当然， “stop”键的代码编写，要 与“start”键的回调函数有对应。例如“start”键的初始运行要求是： set(push1,enable,off); set(push4,enable,off); set(push2,enable,on); stopdata= get(gcf,userdata); if stopdata=-1; break; 中国计量学院本科毕业设计（论文） 16 只有满足这些要求，回调函数才能运行。 对应的， “stop”键的代码用来不满足上述状态，就容易编写： set(gcf,userdata,-1); set(push1, enable,on); set(push4,enable,on); set(push2,enable,off); 其中，经过反复调试，考虑到“start”键要优先运行，因此在图形用户界面设 计时， “stop”键的初始使能进行了设置： string,stop,. enable,off,. %初始使能设置 interruptible,on, . callback,. wb4_02. 所以用户界面的“stop”按钮初始状态不能操作，当“start”按钮开始运行时， “stop”键自动回复。 主程序设计： 主程序就是要通过响应各个控件回调函数，并对相应参数进行不用设置， 实现传输线相应特性的演示。该控件命名为“start” 。部分关键属性如下代码： push1=uicontrol(gcf,. style,pushbutton,. string,start,. interruptible,on, . callback,. wb4_01.); 上面代码展示了控件属性的一部分，通过其属性编辑器就能方便进行设置。 类似的还有“stop” ， “info”， “return”控件。把传输线类型“有耗” ， “无 耗”和要观察的特性对象“电压” ， “电流”用单选按钮来控制。两两只能同时 选其一，以传输线类型为例，控制选择编程如下： h1=get(radio1,value); h2=get(radio2,value); 这两句获得用户对传输线类型的选择，h1,h2 分别对应“无耗”和“有耗” ， 被选择的 value 值为 1，并且只能选其一： if h1=1; string, 有 耗,. value,0, elseif h1=0 string, 有 耗,. value,1,. 中国计量学院本科毕业设计（论文） 17 电压和电流的编码方法与上面类似，不再赘述。 matlab 编程与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以只要将 上面第二章推得的传输线的解，即电压，电流的表达式直接以代码方式写入， 就能得到相应波形，这一点给本次程序编程带来了很大便捷。本次对传输线特 性的仿真，要改变负载阻抗以观察入射波反射波形的特性，只需要改变负载电 压或者负载电流，对必要参数进行设置即可。主程序设计流程框图： 打 开 用 户 界 面 选 择 传 输 线 类 型 选 择 仿 真 特 性 类 型 对 参 数 进 行 设 置 start 绘 图 满 足 运 行 条 件 图 4.3 主程序设计框图 图 4.4 无耗均匀传输线特性整体显示 下面对应无耗均匀传输线的电压特性代码进行仿真结果对比验证： 中国计量学院本科毕业设计（论文） 18 z0=1.2; beta=2*pi; phi1=0; phi2=0; ul=1.2; il=1; a=(ul+il*z0)/2; b=(ul-il*z0)/2; 以上是对参数的设置 ui=abs(a)*cos(omega*t+2*pi*z+phi1); %入射波表达式 uo= abs(b)*cos(omega*pi*t-2*pi*z+phi2); %反射波表达式 subplot(position,box2pos); legend(入射电压 ,反射电压,4); %对波形进行注释，并放置在图形右下角。 u=abs(a)*cos(omega*t+beta*z+phi1)+abs(b)*cos(omega*t-beta*z+phi2); plot(z,u); %合成波 仿真结果： 图 4.4 无耗均匀传输线电压入射波和反射波特性 由图 4.4 可以看出，入射波振幅沿线不变，相位恒定，反射波为零，即没 有反射。和理论吻合。 入射波和反射波叠加而成的合成波： 中国计量学院本科毕业设计（论文） 19 图 4.5 无耗均匀传输线电压行波传输特性 观察图 4.4 和图 4.5 可以得出，合成波与入射波振幅和相位均一致，在反 射波为零的情况下，反射功率为零，入射功率完全被负载吸收。传输线上的合 成波实际上就是行波状态。 设置负载阻抗为零，运行程序就得到无耗均匀传输线驻波仿真结果： 图 4.6 无耗均匀传输线驻波状态的入射波和反射波 中国计量学院本科毕业设计（论文） 20 图 4.7 无耗传输线电压驻波特性 观察分析图 4.6 和图 4.7，电压波出现了全反射。因为传播时波随时间和空 间 z 变化，可以看出： 电压、电流振幅随着传输线的位置变化而变化，但不是均匀变化。 反射电压振幅等于入射波电压振幅。驻波振幅最大值是波腹，最小值是波 节。驻波波腹为入射波振幅的 2 倍，波节为零。 电压振幅按正弦函数的模值分布，节点和腹点以 1/4 波长为间距交替出现。 电流振幅按余弦函数的模值分布，节点和腹点以 1/4 波长为间距交替出现。而 且，在驻波状态下，传输线不能传输功率。 行驻波仿真结果分析： 将负载阻抗进行设置，最简洁的设置方法就是使得负载阻抗不等于特性阻 抗。电压波运行结果： 中国计量学院本科毕业设计（论文） 21 图 4.8 无耗均匀传输线行驻波状态 观察分析仿真图 4.8，行驻波只是部分反射，反射波幅度小与入射波幅度。 合成波依然是入射波与反射波的叠加，波节不为零，波腹也不等于终端入射波 振幅的 2 倍，这从波峰在纵坐标的大小就能读出。 对无耗均匀传输线的电流行波特性仿真，最简洁的方法是设置负载阻抗与 特性阻抗相等。关键代码如下，并进行仿真分析： z0=1.2; %特性阻抗 beta=2*pi; %相位常数设置 phi1=0; phi2=0; ul=1.2; il=1; ii=abs(a)/z0*cos(omega*t+2*pi*z+phi1); %入射电流 io= -abs(b)/z0*cos(omega*t-2*pi*z+phi2); %反射电流 中国计量学院本科毕业设计（论文） 22 iz=abs(a)/z0*cos(omega*t+beta*z+phi1)-abs(b)/z0*cos(omega*t-beta*z+phi2; plot(z,iz); %合成电流波 legend(入射电流 ,反射电流,4); 仿真结果： 图 4.8 无耗均匀传输线电流行波状态 从图 4.8 可以看出，反射波为零，合成波就等与入射波。能量被负载全部 吸收。 对于无耗均匀传输线的电流驻波特性，最简洁的方式是设置负载阻抗等于 零。进行仿真分析： 中国计量学院本科毕业设计（论文） 23 图 4.9 无耗均匀传输线电流驻波状态 从图 4.9 可以看出，入射波与反射波完全反相，叠加后合成波最小，几乎 为零。这是瞬间暂停正在不断变化的波形截获的，与理论吻合得很好。 同样地，对电流传输参数进行设置，得到无耗传输线电流波的行驻波状态。 仿真结果如下图： 中国计量学院本科毕业设计（论文） 24 图 4.10 无耗均匀传输线行驻波状态 有耗传输线的特性仿真： 有耗均匀传输线的损耗来自于导体损耗，介质损耗以及辐射损耗，分布电 阻和分布电导都不为零。要对四个分布参数的值分别合理设置，相当于对特性 阻抗进行设置。通过设置负载电压和负载电流的值来改变负载阻抗。设计思路 基本流程与无耗传输线相似。进入用户界面，首先选择传输线类型为“有耗” ， 合理改变参数值，按开始键开始仿真。下面是程序流程框图： 中国计量学院本科毕业设计（论文） 25 图 4.11 有耗线程序框图 下面是完整运行显示： 图 4.12 均匀后耗传输线完整程序仿真 以电压波为例，对运行结果进行比较说明。下面是主要代码： ul=0.001; %终端电压 il=3; %终端电流 l1=2.5*10(1); %分布电感 c1=10(1); %分布电容 g1=50*10(-2); %分布电导 r1=1; %分布电阻 omega=0.2*pi; 中国计量学院本科毕业设计（论文） 26 gamma=sqrt(r1+j*omega*l1)*(g1+j*omega*c1); %传播常数 z0=sqrt(r1+j*omega*l1)/(g1+j*omega*c1); % 特性阻抗 ui=0.5*real(ul+il*z0)/2.*exp(gamma.*z+j*omega.*t); %入射波 uo=5*real(ul-il*z0)/2.*exp(-gamma.*z+j*omega*t); %反射电压 legend(入射电压 ,反射电压,4); uz=real(0.5*(ul+il*z0)/2.*exp(gamma.*z+j*omega*t) +5*(ul-il*z0)/2.*exp(-gamma.*z+j*omega*t); %合成电压 运行完整代码，得到有耗传输线的入射波和反射波： 图 4.13