天線仿真設(shè)計(jì)Matlab天線工具箱

學(xué)個(gè)Antenna是以天線仿真和調(diào)試為主，理論原理為輔的干貨天線技術(shù)專欄，包括天線入門知識(shí)以及各類天線的原理簡介、仿真軟件建模、設(shè)計(jì)、調(diào)試過程及思路。如有想看到的內(nèi)容或技術(shù)問題，可以在文尾寫下留言。

???????? 摘要：

提到天線仿真設(shè)計(jì)，大部分人會(huì)想到HFSS、CST、FEKO這幾種常用的電磁仿真軟件。不過號(hào)稱“除了生孩子之外就是萬能”的MATLAB在2015版本就已推出了天線工具箱-Antenna Toolbox。經(jīng)過幾年的迭代優(yōu)化，現(xiàn)在的工具箱已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、分析和可視化天線單元和天線陣列。

本文使用的軟件為MATLAB 2019a版本，文中編寫的程序在低版本環(huán)境下可能會(huì)與提供的仿真結(jié)果有一定偏差！

0 1 簡單介紹

Antenna Toolbox 提供了設(shè)計(jì)、分析天線單元和陣列并使其可視化的功能和應(yīng)用程序。用戶可以使用具有參數(shù)化幾何結(jié)構(gòu)的預(yù)定義單元或任意平面單元設(shè)計(jì)獨(dú)立的天線并建立天線陣列。

Antenna Toolbox 使用矩量法 (MoM) 計(jì)算端口屬性（如阻抗）、表面屬性（如電流和電荷分布）以及電場屬性（如近場和遠(yuǎn)場輻射方向圖）。您可通過 2D 和 3D 的形式展示天線的幾何結(jié)構(gòu)以及分析結(jié)果。

也可將天線和陣列集成到無線系統(tǒng)當(dāng)中，并使用阻抗分析方法設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)。Antenna Toolbox 提供了用于仿真波束成形和波束控制算法的輻射方向圖?？蓮哪脑O(shè)計(jì)生成 Geber 文件，用于生產(chǎn)印刷電路板 (PCB) 天線。您可以在汽車或飛機(jī)等大型平臺(tái)上安裝天線，并分析結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能的影響。借助站點(diǎn)查看器，您可以使用各種傳播模型在 3D 地形圖上可視化天線覆蓋范圍。

0 2 天線單元設(shè)計(jì)

MATLAB的天線工具箱有函數(shù)庫支持腳本式開發(fā)，亦有基于APPdesigner開發(fā)的傻瓜式天線建模仿真軟件。這里先簡單科普下腳本開發(fā)，當(dāng)“調(diào)包俠”有多爽！

%偶極子天線單元設(shè)計(jì)clear;clc;%設(shè)置工作頻率（Hz）fre=2*1e9;%創(chuàng)建天線單元種類：偶極子subobject=design(dipole,fre);%設(shè)置激勵(lì)端口阻抗subobject.Load.Impedance=100;str1=[];str2=[];for num=1:3%設(shè)置天線尺寸 subobject.Length=0.058+0.02*(num-1); %S參數(shù)計(jì)算 S_data=sparameters(subobject,0.5*fre1.5*fre,201); subplot(1,2,1);h=rfplot(S_data);hold on; str1=[str1,strcat("偶極子長度(mm)：",num2str(subobject.Length*1000))]; legend(str1); subplot(1,2,2);smith(S_data,1,1);hold on; legend(str1);endholdoff;

CST仿真結(jié)果：寬度1.5mm，長度50.8mm,70.8mm,90.8mm

對(duì)比MATLAB快速計(jì)算和CST建模仿真-時(shí)域求解器下的仿真結(jié)果，可以看出有一定頻偏差異。精準(zhǔn)化仿真還是得靠HFSS、CST這類商業(yè)電磁仿真專業(yè)軟件，不過前期進(jìn)行快速仿真、參量預(yù)估，這個(gè)工具箱還是能發(fā)揮一席之地的！

%在上面的代碼后追加%設(shè)定偶極子長度為0.078msubobject.Length=0.078;%繪制3D方向圖figure(2);pattern(subobject,fre);%繪制2D方向圖figure(3);patternElevation(subobject,fre);%繪制電流分布圖figure(4);current(subobject,fre);view(90,0);

單元快速仿真計(jì)算結(jié)果

下面介紹基于APPdesigner開發(fā)的傻瓜式天線建模仿真軟件。在matlab命令窗口輸入antennaDesigner即可。進(jìn)入界面后點(diǎn)擊New，常用的簡單天線種類應(yīng)有盡有，特別方便，程序比較簡單、非常容易上手！

點(diǎn)擊上圖最右邊的Export按鈕，可以將設(shè)計(jì)的天線導(dǎo)出為matlab腳本文件，方便開發(fā)者二次修改、維護(hù)。

0 3 陣列設(shè)計(jì)

%設(shè)置頻率fre=2*1e9;%創(chuàng)建天線單元種類subobject=design(dipole,fre);subobject.Load.Impedance=100;%設(shè)置線陣arrayobject=design(linearArray('Element',subobject),fre,subobject);%設(shè)置單元數(shù)量arrayobject.NumElements=20;%設(shè)置單元間隔0.6倍工作波長arrayobject.ElementSpacing=0.15*0.6;%設(shè)置單元激勵(lì)相差arrayobject.PhaseShift=zeros(1,20);%設(shè)置單元激勵(lì)幅度arrayobject.AmplitudeTaper=ones(1,20);figure(1);layout(arrayobject);figure(2);pattern(arrayobject,fre);figure(3);patternAzimuth(arrayobject,fre);

線陣快速仿真計(jì)算結(jié)果-等幅同相激勵(lì)

點(diǎn)擊任意小圖，即可放大觀看

從上面仿真結(jié)果的第三張圖片可以看出，組陣方向的2D方向圖主波束較窄，主副瓣比僅有13.26dB，與等幅同相激勵(lì)的理論值比較符合，下面嘗試模擬切比雪夫低副瓣陣列。

設(shè)定36dB的主副瓣比，得到的20單元線陣激勵(lì)電流幅度分布為：

%替換上述程序的幅度分布%設(shè)置單元激勵(lì)幅度arrayobject.AmplitudeTaper=... [0.1749 0.2065 0.3091 0.4268... 0.5529 0.6790 0.7955 0.8930... 0.9632 1.0000 1.0000 0.9632... 0.8930 0.7955 0.6790 0.5529... 0.4268 0.3091 0.2065 0.1749];

經(jīng)過切比雪夫幅度加權(quán)后，線陣的主副瓣比從13.26dB提升到了31.6dB，效果顯著。下面的對(duì)比效果圖能直觀地感受到副瓣的差異之大。

主副瓣對(duì)比

原文標(biāo)題：學(xué)個(gè)Antenna：Matlab天線工具箱知多少（一）

文章出處：【微信公眾號(hào)：微波射頻網(wǎng)】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

責(zé)任編輯：haq