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1.?前言Matlab和HFSS相結合設計分析天線，不僅發揮了matlab強大的數據分析功能，同時還是實現天線設計的自動化。這對于復雜的陣列天線而言無疑是一個十分有用的功能。通過兩者相結合組成的設計框架，實現了自動化的建模，降低了軟件使用的難度，同時增強了兩者的耦合度與集成度，提升天線工程師的設計效率。2. 偶極子天線理論2.1 概述智能天線如圖1所示，可以跟蹤目標調整天線的輻射方向圖。圖中的天線可以是多個偶極子天線組成的陣列，通過一定的相位差合成一個窄波束的方向圖。
圖1. 智能天線偶極子天線是一種經典的天線形式，偶極子天線可分為電偶極子和磁偶極子天線兩種形態。其中，電偶極子天線在其 E 面，輻射方向圖形狀為∞，在 H 面，其輻射方向圖形狀為O形。而磁偶極子在 E 面，H 面的輻射方向圖正好與電偶極子的輻射方向圖相反。目前偶極子天線主要朝著寬帶化、小型化發展。比較新穎的寬帶偶極子天線有以下幾種。
2.2 電偶極子天線電偶極子天線的的物理長度遠小于其波長，此時此導線上各處電流I可看作均勻分布，如圖2所示，通過失位法分析電偶極子產生的電磁場。
圖2. 電偶極子模型天線在遠場的輻射性能見下式。
由此可知，此時在遠場天線只存在上述公式中的兩個分量即Eθ和Hφ，并且相互垂直同向，這些特性表明該天線可以向外傳播能量。
圖3. 輻射示意圖2.3 磁偶極子天線磁偶極子是為了類比電偶極子而假想的概念模型，通常將磁偶極子模型等效為一個極小型的載有電流的圓環。假設xoy平面上一小圓環的半徑為a，其遠小于波長，如圖4所示，使用矢位法分析該天線的電場強度和磁場強度。
圖4. 磁偶極子經過推導得到下式的電場強度和磁場強度。
對比電偶極子的電場強度和磁場強度，兩種偶極子天線存在一定差異，兩種天線存在90°的相位差，即兩種的方向圖正好相反。半波長偶極天線的輸入阻抗是由尋=73+ j42.5歐姆。2.4 寬帶電磁偶極子天線1954年Calvin提出了磁電偶極子天線，下面將以一種寬帶電磁偶極子天線為例，說明其工作原理。該天線主要由E形貼片和折疊垂直短路貼片組成。E 形電偶極子貼片一般具有多個相鄰的諧振頻點，從而實現了擴寬工作頻帶；折疊垂直短路貼片與其之間的地板可以等效為磁偶極子。下圖是該天線的表面電流分布圖。
圖5. 天線表面電流分布上圖為該寬帶天線在同一周期內不同時刻的表面電流分布，當t=T/2時，電偶極子處于工作的狀態，天線的電流大部分都存在于E貼片上，折疊垂直端路貼片上只有很少的電流；而在t=T/4時，E形貼片上的電流很少，折疊垂直短路貼片上的表面電流增大，此時天線處于磁偶極子工作狀態。可見，其電偶極子和磁偶極子有效結合在一起，就可以在遠場實現良好的互補型輻射方向圖，這也是電磁偶極子天線的基本理論依據。
圖6. 電磁偶極子輻射特性兩者的遠場輻射方向圖存在互補的關系。通常情況下，電磁偶極子天線由正交放置且同時激勵的電偶極子和磁偶極子組成，電偶極子在 E 面的方向圖是平 8 字，對于磁偶極子，其是 O 字形狀；在 H 面電偶極子的方向圖是 O 字形狀，而對于磁偶極子，其是平 8 字形狀。將電偶極子和磁偶極子采用恰當的方式結合在一起，就可以在 E 面和 H 面獲得相似的心形輻射方向圖，電偶極子和磁偶極子在 E 面和 H 面疊加后的輻射方向圖具有良好的相似性，更為關鍵的是，得到的輻射方向圖后瓣都很小。3． 基于matlab的偶極子天線設計程序3.1 設計流程基于Matlab的HFSS天線是指編寫matlab程序并由該程序生成對應的腳本文件，接著再由HFSS調用該腳本文件最終實現天線設計的自動化過程。與手動進行天線設計相類似，腳本語言設計天線遵從以下流程，首先使用啟動HFSS命令開啟軟件，接著新建工程，在該工程中建立天線模型，依次設置各參數后開始仿真。
按照上述流程使用matlab控制HFSS生成的部分腳本內容如下：| Set oHfssApp = CreateObject("AnsoftHfss.HfssScriptInterface")Set oDesktop = oHfssApp.GetAppDesktop()oDesktop.RestoreWindowoDesktop.NewProjectSet oProject = oDesktop.GetActiveProjectoProject.InsertDesign "HFSS", " dio ", "DrivenModal", ""Set oDesign = oProject.SetActiveDesign("dio")Set oEditor = oDesign.SetActiveEditor("3D Modeler")oEditor.CreateCylinder _Array("NAME:CylinderParameters", _"XCenter:=", "0.00100meter", _"YCenter:=", "0.000000meter", _"ZCenter:=", "0.000000meter", _"Radius:=", "0.020000meter", _"Height:=", "0.028000meter", _"WhichAxis:=", "X"), _Array("NAME:Attributes", _"Name:=", "mydipole_1", _"Flags:=", "", _"Color:=", "(255 255 0)", _"Transparency:=", 0, _"PartCoordinateSystem:=", "Global", _"MaterialName:=", "vacuum", _"SolveInside:=", true)oEditor.CreateCylinder _Array("NAME:CylinderParameters", _"XCenter:=", "-0.001000meter", _"YCenter:=", "0.000000meter", _"ZCenter:=", "0.000000meter", _"Radius:=", "0.020000meter", _"Height:=", "-0.028000meter", _"WhichAxis:=", "X"), _Array("NAME:Attributes", _"Name:=", " mydipole_2", _"Flags:=", "", _"Color:=", "(255 255 0)", _"Transparency:=", 0, _"PartCoordinateSystem:=", "Global", _"MaterialName:=", "vacuum", _"SolveInside:=", true)Set oModule = oDesign.GetModule("BoundarySetup")oModule.AssignPerfectE _Array("NAME:Antennas", _"InfGroundPlane:=", false, _"Objects:=", _Array("mydipole_1"," mydipole_2"))oEditor.CreateRectangle _Array("NAME:RectangleParameters", _"IsCovered:=", true, _"XStart:=", "-0.025000meter", _"YStart:=", "0.000000meter", _"ZStart:=", "-0.020000meter", _"Width:=", "0.040000meter", _"Height:=", "0.050000meter", _"WhichAxis:=", "Y"), _Array("NAME:Attributes", _"Name:=", "GapSource", _"Flags:=", "", _"Color:=", "(255 255 0)", _"Transparency:=", 5.000000e-01, _"PartCoordinateSystem:=", "Global", _"MaterialName:=", "vacuum", _"SolveInside:=", true)oEditor.CreateBox _Array("NAME:BoxParameters", _"XPosition:=", "-1.000000meter", _"YPosition:=", "-0.500000meter", _"ZPosition:=", "-0.500000meter", _"XSize:=", "2.000000meter", _"YSize:=", "1.000000meter", _"ZSize:=", "1.000000meter"), _Array("NAME:Attributes", _"Name:=", "AirBox", _"Flags:=", "", _"Color:=", "(255 255 0)", _"Transparency:=", 0.75, _"PartCoordinateSystem:=", "Global", _"MaterialName:=", "vacuum", _"SolveInside:=", true)Set oModule = oDesign.GetModule("BoundarySetup")oModule.AssignRadiation _Array("NAME:ABC", _"Objects:=", Array("AirBox"))Set oModule = oDesign.GetModule("AnalysisSetup")oModule.InsertSetup "HfssDriven", _Array("NAME:Setup150MHz", _"Frequency:=", "2.50000GHz", _"PortsOnly:=", false, _"maxDeltaS:=", 0.020000, _"UseMatrixConv:=", false, _"MaximumPasses:=", 25, _"MinimumPasses:=", 1, _"MinimumConvergedPasses:=", 1, _"PercentRefinement:=", 20, _"ReducedSolutionBasis:=", false, _"DoLambdaRefine:=", true, _"DoMaterialLambda:=", true, _"Target:=", 0.3333, _"PortAccuracy:=", 2, _"SetPortMinMaxTri:=", false) |
圖7. 天線仿真模型這里在工作頻段內計算了3個頻點，依次按照[λ/4，2λ]范圍調整空氣盒子的大小，對比天線S11參數的仿真計算結果，如下圖所示，可見隨著空氣盒子的尺寸大于天線中心頻率的一個波長時，此時的仿真結果的差異逐漸減少。由此可得出以下結論：當天線空氣盒子的尺寸設置大于λ時，天線仿真的結果差異性較小；當天線空氣盒子的尺寸小于λ/4時，此時的天線計算結果取決于空氣盒子的尺寸。
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審核編輯：湯梓紅
工商網監
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