### 使用 Python Matplotlib 绘制天线辐射图 以下是基于 Python 的解决方案，使用 Matplotlib 库来模拟 Origin 软件的功能，绘制天线辐射图。该方案涵盖了主瓣、旁瓣、后瓣的可视化以及增益和波束宽度的标注。 --- #### 代码实现 ```python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt # 定义角度范围和辐射强度分布 theta = np.linspace(0, 2 * np.pi, 360) # 角度范围 [0, 2π] radiation_pattern = ( 10 * np.abs(np.cos(theta / 2)) ** 2 # 主瓣部分 + 2 * np.abs(np.sin(4 * theta)) # 旁瓣部分 - 5 # 整体偏移量 ) radiation_pattern[radiation_pattern < 0] = 0 # 截断负值 # 计算主瓣宽度（HPBW） main_lobe_peak_index = np.argmax(radiation_pattern) half_power_level = radiation_pattern[main_lobe_peak_index] / 2 hpwl_indices = np.where( (radiation_pattern >= half_power_level) & ((theta > theta[main_lobe_peak_index] - np.pi/2) | (theta < theta[main_lobe_peak_index] + np.pi/2)) )[0] beam_width_rad = abs(theta[hpwl_indices[-1]] - theta[hpwl_indices[0]]) beam_width_deg = np.rad2deg(beam_width_rad) # 设置增益值 gain_db = max(radiation_pattern) # 假设最大值即为增益 # 创建极坐标图 fig, ax = plt.subplots(subplot_kw={'projection': 'polar'}, figsize=(8, 8)) ax.plot(theta, radiation_pattern, label="Radiation Pattern") # 辐射图案曲线 ax.fill_between(theta, 0, radiation_pattern, color='blue', alpha=0.2) # 填充颜色 # 标记主瓣 main_lobe_theta_range = [ theta[np.argmin(abs(theta - hpwl_indices[0]))], theta[np.argmin(abs(theta - hpwl_indices[-1]))] ] ax.fill_between(main_lobe_theta_range, 0, gain_db, color='green', alpha=0.5, label=f"Main Lobe (HPBW={beam_width_deg:.1f}°)") # 标记旁瓣 side_lobes_mask = (radiation_pattern > 0) & ~((theta >= main_lobe_theta_range[0]) & (theta <= main_lobe_theta_range[1])) ax.fill_between(theta[side_lobes_mask], 0, radiation_pattern[side_lobes_mask], color='red', alpha=0.3, label="Side Lobes") # 标记后瓣 back_lobe_mask = (theta > np.pi) & (theta < 2 * np.pi) ax.fill_between(theta[back_lobe_mask], 0, radiation_pattern[back_lobe_mask], color='orange', alpha=0.3, label="Back Lobe") # 添加注释：增益和波束宽度 ax.text(0, gain_db + 1, f'Gain: {gain_db:.1f} dB', ha='center', fontsize=10, color='black') ax.text(main_lobe_theta_range[0], gain_db / 2, f'Beam Width: {beam_width_deg:.1f}°', rotation=-45, fontsize=10, color='black') # 图表美化 ax.set_title("Antenna Radiation Pattern", va='bottom', fontsize=16) ax.legend(loc='upper right', bbox_to_anchor=(1.3, 1.1)) plt.show() ``` --- #### 解释与细节 1. **方向图对称性** 上述代码生成了一个具有对称性的方向图，满足理想情况下的设计需求[^1]。通过对称函数构建辐射强度分布，确保水平面和垂直面上的表现一致。 2. **主瓣宽度 (HPBW)** 半功率波束宽度被定义为主瓣顶点至两侧半功率点之间的夹角。通过查找最大值及其对应的半功率点位置，计算得出 HPBW 并将其标注在图表中。 3. **旁瓣电平** 旁瓣由非主瓣区域的较高幅值构成。代码中通过逻辑掩码分离旁瓣，并用红色填充加以突出显示。 4. **后瓣电平** 后瓣通常位于 π 至 2π 的范围内。为了减少反向辐射的影响，后瓣的设计目标是使其尽可能低[^1]。此处采用橙色填充表示后瓣区域。 5. **增益标注** 天线增益以分贝形式给出，等于方向图中的最大辐射强度值。此值直接标注在图表顶部附近[^1]。 --- #### 输出效果描述 最终绘图将展示完整的天线辐射特性，包括但不限于： - 主瓣绿色填充区，带有波束宽度标注； - 旁瓣红色透明填充区； - 后瓣橙色透明填充区； - 文本标签标明增益和波束宽度的具体数值。 --- ###