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        學個Antenna:Matlab天線工具箱知多少(一)

        2022-01-07 來源:微波射頻網 作者:94巨蟹座少年 字號:

        學個Antenna是以天線仿真和調試為主,理論原理為輔的干貨天線技術專欄,包括天線入門知識以及各類天線的原理簡介、仿真軟件建模、設計、調試過程及思路。如有想看到的內容或技術問題,可以在文尾寫下留言。

        摘要:

        提到天線仿真設計,大部分人會想到HFSS、CST、FEKO這幾種常用的電磁仿真軟件。不過號稱“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。經過幾年的迭代優化,現在的工具箱已經可以實現設計、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境下可能會與提供的仿真結果有一定偏差!

        簡單介紹

        Antenna Toolbox™ 提供了設計、分析天線單元和陣列并使其可視化的功能和應用程序。用戶可以使用具有參數化幾何結構的預定義單元或任意平面單元設計獨立的天線并建立天線陣列。

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

        也可將天線和陣列集成到無線系統當中,并使用阻抗分析方法設計匹配網絡。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計生成 Geber 文件,用于生產印刷電路板 (PCB) 天線。您可以在汽車或飛機等大型平臺上安裝天線,并分析結構對天線性能的影響。借助站點查看器,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

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        天線單元設計

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

        1   %偶極子天線單元設計

        2   clear;clc;

        3   %設置工作頻率(Hz)

        4   fre=2*1e9;

        5   %創建天線單元種類:偶極子

        6   subobject=design(dipole,fre);

        7   %設置激勵端口阻抗

        8   subobject.Load.Impedance=100;

        9   str1=[];str2=[];

        10  for num=1:3

        11       %設置天線尺寸

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

        13       %S參數計算

        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仿真結果:寬度1.5mm,長度50.8mm,70.8mm,90.8mm

          圖片   

        對比MATLAB快速計算和CST建模仿真-時域求解器下的仿真結果,可以看出有一定頻偏差異。精準化仿真還是得靠HFSS、CST這類商業電磁仿真專業軟件,不過前期進行快速仿真、參量預估,這個工具箱還是能發揮一席之地的!

        1.    %在上面的代碼后追加
        2.    %設定偶極子長度為0.078m
        3.    subobject.Length=0.078;
        4.    %繪制3D方向圖
        5.    figure(2);pattern(subobject,fre);
        6.    %繪制2D方向圖
        7.    figure(3);patternElevation(subobject,fre);
        8.    %繪制電流分布圖

        單元快速仿真計算結果

           

        點擊任意小圖,即可放大觀看 

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

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

         
        點擊上圖最右邊的Export按鈕,可以將設計的天線導出為matlab腳本文件,方便開發者二次修改、維護。

         陣列設計

        1.   %設置頻率
        2.   fre=2*1e9;
        3.   %創建天線單元種類
        4.   subobject=design(dipole,fre);
        5.   subobject.Load.Impedance=100;
        6.   %設置線陣
        7.   arrayobject=design(linearArray('Element',subobject),fre,subobject);
        8.   %設置單元數量arrayobject.NumElements=20;
        9.   %設置單元間隔0.6倍工作波長
        10.   arrayobject.ElementSpacing=0.15*0.6;
        11.   %設置單元激勵相差
        12.   arrayobject.PhaseShift=zeros(1,20);
        13.   %設置單元激勵幅度
        14.   arrayobject.AmplitudeTaper=ones(1,20);
        15.   figure(1);layout(arrayobject);
        16.   figure(2);pattern(arrayobject,fre);
        17.   figure(3);patternAzimuth(arrayobject,fre);

        線陣快速仿真計算結果-等幅同相激勵

          

        點擊任意小圖,即可放大觀看

        從上面仿真結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,與等幅同相激勵的理論值比較符合,下面嘗試模擬切比雪夫低副瓣陣列。

         

        設定36dB的主副瓣比,得到的20單元線陣激勵電流幅度分布為:

         

        1. %替換上述程序的幅度分布
        2. %設置單元激勵幅度
        3. arrayobject.AmplitudeTaper
        4. [0.1749    0.2065    0.3091    0.4268
        5. 0.5529    0.6790    0.7955    0.8930...
        6. 0.9632    1.0000    1.0000    0.9632...
        7. 0.8930    0.7955    0.6790    0.5529...
        8. 0.4268    0.3091    0.2065    0.1749];

        圖片

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

        主副瓣對比

        圖片       圖片

        END


        *本文圖片來自MATLAB 2019a和官網

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        本期原創工程師:94巨蟹座少年

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