Matlab和HFSS联合仿真设计及分析偶极子天线

Matlab和HFSS联合仿真设计及分析偶极⼦天线

1. 前⾔

Matlab和HFSS相结合设计分析天线，不仅发挥了matlab强⼤的数据分析功能，同时还是实现天线设计的⾃动化。这对于复杂的阵列天线⽽⾔⽆疑是⼀个⼗分有⽤的功能。通过两者相结合组成的设计框架，实现了⾃动化的建模，降低了软件使⽤的难度，同时增强了两者的耦合度与集成度，提升天线⼯程师的设计效率。

2. 偶极⼦天线理论

2.1 概述

智能天线如图1所⽰，可以跟踪⽬标调整天线的辐射⽅向图。图中的天线可以是多个偶极⼦天线组成的阵列，通过⼀定的相位差合成⼀个窄波束的⽅向图。

图1. 智能天线

偶极⼦天线是⼀种经典的天线形式，偶极⼦天线可分为电偶极⼦和磁偶极⼦天线两种形态。其中，电偶极⼦天线在其 E ⾯，辐射⽅向图形状为∞，在 H ⾯，其辐射⽅向图形状为O形。⽽磁偶极⼦在 E ⾯，H ⾯的辐射⽅向图正好与电偶极⼦的辐射⽅向图相反。

⽬前偶极⼦天线主要朝着宽带化、⼩型化发展。⽐较新颖的宽带偶极⼦天线有以下⼏种。

2.2 电偶极⼦天线

电偶极⼦天线的的物理长度远⼩于其波长，此时此导线上各处电流I可看作均匀分布，如图2所⽰，通过失位法分析电偶极⼦产⽣的电磁场。

图2. 电偶极⼦模型

天线在远场的辐射性能见下式。

由此可知，此时在远场天线只存在上述公式中的两个分量即Eθ和Hφ，并且相互垂直同向，这些特性表明该天线可以向外传播能量。

图3. 辐射⽰意图

2.3 磁偶极⼦天线

磁偶极⼦是为了类⽐电偶极⼦⽽假想的概念模型，通常将磁偶极⼦模型等效为⼀个极⼩型的载有电流的圆环。假设xoy 平⾯上⼀⼩圆环的半径为a，其远⼩于波长，如图4所⽰，使⽤⽮位法分析该天线的电场强度和磁场强度。

图4. 磁偶极⼦

经过推导得到下式的电场强度和磁场强度。

对⽐电偶极⼦的电场强度和磁场强度，两种偶极⼦天线存在⼀定差异，两种天线存在90°的相位差，即两种的⽅向图正好相反。

好相反。

半波长偶极天线的输⼊阻抗是由寻=73+ j42.5欧姆。

2.4 宽带电磁偶极⼦天线

1954年Calvin提出了磁电偶极⼦天线，下⾯将以⼀种宽带电磁偶极⼦天线为例，说明其⼯作原理。该天线主要由E形贴⽚和折叠垂直短路贴⽚组成。E 形电偶极⼦贴⽚⼀般具有多个相邻的谐振频点，从⽽实现了扩宽⼯作频带；折叠垂直短路贴⽚与其之间的地板可以等效为磁偶极⼦。下图是该天线的表⾯电流分布图。

图5. 天线表⾯电流分布

上图为该宽带天线在同⼀周期内不同时刻的表⾯电流分布，当t=T/2时，电偶极⼦处于⼯作的状态，天线的电流⼤部分都存在于E贴⽚上，折叠垂直端路贴⽚上只有很少的电流；⽽在t=T/4时，E形贴⽚上的电流很少，折叠垂直短路贴⽚上的表⾯电流增⼤，此时天线处于磁偶极⼦⼯作状态。可见，其电偶

极⼦和磁偶极⼦有效结合在⼀起，就可以在远场实现良好的互补型辐射⽅向图，这也是电磁偶极⼦天线的基本理论依据。

图6. 电磁偶极⼦辐射特性

两者的远场辐射⽅向图存在互补的关系。通常情况下，电磁偶极⼦天线由正交放置且同时激励的电偶极⼦和磁偶极⼦组成，电偶极⼦在 E ⾯的⽅向图是平 8 字，对于磁偶极⼦，其是 O 字形状；在 H ⾯电偶极⼦的⽅向图是 O 字形状，⽽对于磁偶极⼦，其是平 8 字形状。将电偶极⼦和磁偶极⼦采⽤恰当

的⽅式结合在⼀起，就可以在 E ⾯和 H ⾯获得相似的⼼形辐射⽅向图，电偶极⼦和磁偶极⼦在 E ⾯和 H ⾯叠加后的辐射⽅向图具有良好的相似性，更为关键的是，得到的辐射⽅向图后瓣都很⼩。

3．基于matlab的偶极⼦天线设计程序

3.1 设计流程

基于Matlab的HFSS天线是指编写matlab程序并由该程序⽣成对应的脚本⽂件，接着再由HFSS调⽤该脚本⽂件最终实现天线设计的⾃动化过程。

与⼿动进⾏天线设计相类似，脚本语⾔设计天线遵从以下流程，⾸先使⽤启动HFSS命令开启软件，接着新建⼯程，在该⼯程中建⽴天线模型，依次设置各参数后开始仿真。

按照上述流程使⽤matlab控制HFSS⽣成的部分脚本内容如下：

Set oHfssApp = CreateObject("AnsoftHfss.HfssInterface")

Set oDesktop = oHfssApp.GetAppDesktop

oDesktop.RestoreWindow

oDesktop.NewProject

Set oProject = oDesktop.GetActiveProject

oProject.InsertDesign "HFSS", " dio ", "DrivenModal", ""

Set oDesign = oProject.SetActiveDesign("dio")

Set oEditor = oDesign.SetActiveEditor("3D Modeler")

oEditor.CreateCylinder _

Array("NAME:CylinderParameters", _

"XCenter:=", "0.00100meter", _

"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, _

本文发布于:2024-09-22 03:54:52，感谢您对本站的认可！

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