阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态，它反映了输入电路与输出电路之间的功率传输关系。要实现最大的功率传输，必须使负载阻抗与源阻抗匹配，这不仅仅是为了减小功率损耗，还具有其他功能，如减小噪声干扰、提高功率容量和提高频率响应的线性度等。 为达到天线匹配，一般有两种方法，一是修改天线本身结构，二是加入匹配网络。通常情况下，天线设计出来后结构无法改变且改变成本较高，主要通过加入匹配网络的方式来实现匹配优化，提高天线的辐射效率。笔者将以某鲨鱼鳍天线中的GPS天线为例，介绍一种基于Feko软件进行的车载天线匹配优化方法。

天线匹配流程

基于Feko的天线匹配流程可以分为五步，具体如下所示。 1）通过Feko仿真得到天线的端口特性，得到工作频率范围内的S参数、VSWR（驻波比）以及工作频率处的输入阻抗。 2） 利用匹配电路设计软件得到分立LC匹配电路的类型和参数，如ADS、Optenni Lab，一般采用ADS进行单频点的匹配电路设计，而用Optenni Lab进行宽带匹配。 3.）用SPICE语句编写匹配网络程序，若运用Optenni Lab软件设计匹配电路，Feko可以直接调用匹配电路的S参数文件，可以忽略此步骤； 4）在Feko软件中通过非辐射网络来模拟天线的匹配电路。 5）天线匹配网络与天线的一体化仿真。

天线建模及求解

天线建模前使用Catia或其他绘图软件，对于天线的数模进行处理，去掉一些不必要的特征，如对鲨鱼鳍天线来说，其天线是塑料外壳，安装螺钉等均为不必要特征，可在建模前删除。 将经过前处理后的天线模型导入Feko软件进行建模，通过合并、简化等手段将天线模型分为三部分，即天线金属本体、天线介质及天线地，得到天线模型。天线分层完成后，对各部分设置材料，其中天线的金属本体和天线地均设置为良导体，介质层材料通常需要根据材料特性自定义设置，Feko中可通过设置相对介电常数（Relative permittivity）和介质损耗正切值（Dielectric loss tangent）自定义设置材料。介质层材料是影响天线端口特性的关键因素之一，因此材料的介电常数和介质损耗正切角一定要准确。完成后按照天线实际结构，在天线金属本体与天线地之间增加馈线，并在馈线上添加激励，通常添加1V的电压激励即可。注意增加馈线时不能贴着介质建立，否则仿真运行会报错导致无法求解。至此，天线模型建立完成，图1所示为某鲨鱼鳍天线模型。

图1  鲨鱼鳍天线模型

对天线端口特性进行求解，设置求解频段为1.4~1.6 GHz（本文主要对匹配方法进行说明，实际应用时求解频段按照天线工作频段设置），得到天线的反射系数S11、驻波比VSWR以及阻抗特性，如图2 a) b) c)所示。

图2 a） S11

图2 b）VSWR

图2 c）阻抗特性实部+虚部

根据VSWR特性仿真结果可以看出，GPS天线实际谐振频率为1.465 GHz左右，偏移目标谐振频率(1.575 GHz)约110 MHz，实际谐振频率1.465 GHz时驻波比VSWR最小，为3.76，说明端口反射较大，目标谐振1.575 GHz端口VSWR为22.68；且在实际谐振频率1.575 GHz时的阻抗为42.4-j64.1Ω，目标谐振频率1.575 GHz时的阻抗为2.21+j2.31，远远偏离50Ω。因此，要使GPS天线谐振在目标频率点，需要进行天线端口匹配。

确定匹配电路

GPS天线端口特性仿真时，信号源激励的阻抗是，目标谐振频率1.575 GHz时的天线端口输入阻抗。要实现在目标谐振频率处输出功率最大以及激励端口反射最小，即馈电端口的VSWR最小，就要在信号源激励与天线端口处添加一个阻抗匹配网络，实现信号源与天线的阻抗匹配，频率为1.575 GHz。 对于GPS天线，由于是单频点匹配，其端口阻抗匹配相对简单，用分立的LC匹配网络即可匹配。实现匹配的关键是要得到匹配网络的LC元件参数，可以通过相关软件处理得到。采用ADS软件，分别输入信号源的阻抗50Ω和天线的输入阻抗，即可直接得到两种形式的分立LC的L型匹配网络，如图3所示。 受篇幅所限，本文仅介绍采用网络一进行阻抗匹配，其匹配网络的电感L=1.1 nH，电容C=8 pF。

图3a） LC型匹配网络

图3b）L型匹配网络

匹配网络程序编写及调用

Feko通过非辐射网络来模拟天线的匹配电路以实现天线匹配网络与天线一体化仿真。非辐射网络通过Spice程序实现，文件格式为.cir，具体程序如图4所示。

图4  匹配网络程序

在Feko中进行仿真时，将编写好的匹配网络通过非辐射网络调入仿真工程中，并添加在天线端口与信号激励之间，匹配网络调用及激励添加方式如图5（a.b.）所示。

图5 a）匹配网络调用

图5 b）匹配网络连接与激励添加

匹配优化结果

加入匹配网络后，再按照前文所述方法，对天线端口特性进行求解，得到优化后的天线端口匹配特性，如图6所示。 通过端口VSWR特性曲线可以看出，按照匹配网络匹配后，GPS天线基本谐振在目标频率1.575 GHz处，驻波比VSWR最小为1.06，端口反射较小，激励端口阻抗为49.9-j2.33，比较接近信号源激励的内阻50Ω。可以看出此时天线端口匹配较好，端口反射较小，输出功率最大。

图6 a）S11

图6  b）VSWR

图6 c）阻抗特性实部+虚部

结论

通过匹配网络匹配后的端口特性分析可知，添加匹配网络能使天线较好地匹配到激励端口，优化天线端口特性。通过仿真得到天线的实际谐振频率与目标谐振频率有微小的偏差，主要是匹配时参数不太精确造成的，但此时目标谐振频率1.575 GHz处的VSWR也接近于1，且端口阻抗比较接近于信号源激励内阻50Ω，因此频率偏移可以忽略。 本文主要是提供一种天线端口匹配方法，文中介绍的GPS天线仿真时信号源激励内阻设置为50Ω。实际应用中天线信号源端口阻抗不一定是50Ω，也就是说天线不一定是匹配到50Ω，尤其是内置有前置放大器的天线，此时需要对匹配参数进行相应调整，保证天线阻抗与放大器的输出阻抗匹配。 通过本文所述方法，能够在实际天线设计时帮助选择天线与端口之间的匹配电路，并能够保证该匹配电路的效果，达到天线匹配的目的，提高天线的辐射效率。