技術(shù)

學(xué)個(gè)Antenna：Matlab天線工具箱知多少（一）

2022-01-07 來(lái)源：微波射頻網(wǎng) 作者：94巨蟹座少年字號(hào)：大中小

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(jiǎn)介、仿真軟件建模、設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程及思路。如有想看到的內(nèi)容或技術(shù)問(wèn)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(guò)號(hào)稱“除了生孩子之外就是萬(wàn)能”的MATLAB在2015版本就已推出了天線工具箱-Antenna Toolbox。經(jīng)過(guò)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！

簡(jiǎn)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(chǎng)屬性（如近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖）。您可通過(guò) 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(wú)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。

https://ww2.mathworks.cn/products/antenna.html

長(zhǎng)按識(shí)別二維碼觀看視頻

天線單元設(shè)計(jì)

MATLAB的天線工具箱有函數(shù)庫(kù)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(jiǎn)單科普下腳本開發(fā)，當(dāng)“調(diào)包俠”有多爽！

1 %偶極子天線單元設(shè)計(jì)

2 clear;clc;

3 %設(shè)置工作頻率（Hz）

4 fre=2*1e9;

5 %創(chuàng)建天線單元種類：偶極子

6 subobject=design(dipole,fre);

7 %設(shè)置激勵(lì)端口阻抗

8 subobject.Load.Impedance=100;

9 str1=[];str2=[];

10 for num=1:3

11 %設(shè)置天線尺寸

12 subobject.Length=0.058+0.02*(num-1);

13 %S參數(shù)計(jì)算

14 S_data=sparameters(subobject,0.5*fre:1e7:1.5*fre,201);

15 subplot(1,2,1);h=rfplot(S_data);hold on;

16 str1=[str1,strcat("偶極子長(zhǎng)度(mm)：",num2str(subobject.Length*1000))];

17 legend(str1);

18 subplot(1,2,2);smith(S_data,1,1);hold on;

19 legend(str1);

20 end

21 hold off;

CST仿真結(jié)果：寬度1.5mm，長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)度為0.078m
subobject.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

單元快速仿真計(jì)算結(jié)果

點(diǎn)擊任意小圖，即可放大觀看

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(jiǎn)單天線種類應(yīng)有盡有，特別方便，程序比較簡(jiǎn)單、非常容易上手！

Antenna Designer App官網(wǎng)教程(長(zhǎng)按上面二維碼跳轉(zhuǎn)）：https://www.mathworks.com/help/antenna/gs/antenna-design-and-analysis-using-antenna-designer-app.html

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)。