在射頻技術(shù)的研究學(xué)習(xí)過程中，天線研究是非常重要的一環(huán)，但也是比較復(fù)雜的一環(huán)。Matlab和HFSS相結(jié)合設(shè)計(jì)分析天線，不僅發(fā)揮了matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，同時(shí)還是實(shí)現(xiàn)天線設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。這對于復(fù)雜的陣列天線而言無疑是一個(gè)十分有用的功能。通過兩者相結(jié)合組成的設(shè)計(jì)框架，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的建模，降低了軟件使用的難度，同時(shí)增強(qiáng)了兩者的耦合度與集成度，提升天線工程師的設(shè)計(jì)效率。
偶極子天線理論
1、 概述
智能天線如圖1所示，可以跟蹤目標(biāo)調(diào)整天線的輻射方向圖。圖中的天線可以是多個(gè)偶極子天線組成的陣列，通過一定的相位差合成一個(gè)窄波束的方向圖。
圖1. 智能天線
偶極子天線是一種經(jīng)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(tài)。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(fā)展。比較新穎的寬帶偶極子天線有以下幾種。
2、電偶極子天線
電偶極子天線的的物理長度遠(yuǎn)小于其波長，此時(shí)此導(dǎo)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(chǎn)生的電磁場。
圖2. 電偶極子模型天線在遠(yuǎn)場的輻射性能見下式。
由此可知，此時(shí)在遠(yuǎn)場天線只存在上述公式中的兩個(gè)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
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(gè)極小型的載有電流的圓環(huán)。假設(shè)xoy平面上一小圓環(huán)的半徑為a，其遠(yuǎn)小于波長，如圖4所示，使用矢位法分析該天線的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度。
圖4. 磁偶極子經(jīng)過推導(dǎo)得到下式的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度。
對比電偶極子的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)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
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(gè)相鄰的諧振頻點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)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(nèi)不同時(shí)刻的表面電流分布，當(dāng)t=T/2時(shí)，電偶極子處于工作的狀態(tài)，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(shí)，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(shí)天線處于磁偶極子工作狀態(tài)。可見，其電偶極子和磁偶極子有效結(jié)合在一起，就可以在遠(yuǎn)場實(shí)現(xiàn)良好的互補(bǔ)型輻射方向圖，這也是電磁偶極子天線的基本理論依據(jù)。
圖6. 電磁偶極子輻射特性兩者的遠(yuǎn)場輻射方向圖存在互補(bǔ)的關(guān)系。
通常情況下，電磁偶極子天線由正交放置且同時(shí)激勵(lì)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(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)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(guān)鍵的是，得到的輻射方向圖后瓣都很小。
基于matlab的偶極子天線設(shè)計(jì)程序
1、設(shè)計(jì)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(yīng)的腳本文件，接著再由HFSS調(diào)用該腳本文件最終實(shí)現(xiàn)天線設(shè)計(jì)的自動(dòng)化過程。與手動(dòng)進(jìn)行天線設(shè)計(jì)相類似，腳本語言設(shè)計(jì)天線遵從以下流程，首先使用啟動(dòng)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(shè)置各參數(shù)后開始利用Matlab仿真。
2、空氣盒子對偶極子天線仿真結(jié)果的影響
這里將天線的空氣盒的大小設(shè)置為變量AIR，研究AIR的尺寸對天線仿真結(jié)果的影響程度。對應(yīng)的程序設(shè)置內(nèi)容如下。
圖7. 天線仿真模型
這里在工作頻段內(nèi)計(jì)算了3個(gè)頻點(diǎn)，依次按照[λ/4，2λ]范圍調(diào)整空氣盒子的大小，對比天線S11參數(shù)的仿真計(jì)算結(jié)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(gè)波長時(shí)，此時(shí)的仿真結(jié)果的差異逐漸減少。由此可得出以下結(jié)論：當(dāng)天線空氣盒子的尺寸設(shè)置大于λ時(shí)，天線仿真的結(jié)果差異性較小；當(dāng)天線空氣盒子的尺寸小于λ/4時(shí)，此時(shí)的天線計(jì)算結(jié)果取決于空氣盒子的尺寸。
