Dipole天线的FEKO仿真

FEKO初阶--dipole天线的仿真赵工（深圳518001）[e-mail]1608288659摘要：本文通过对最简单的dipole（偶极子）天线使用FEKO7.0进行仿真，演示了使用线端口对线天线仿真的基本流程，及对仿真结果的输出。关键字：FEKO偶极子天线仿真线天线TheSimulationofDipoleAntennawithFEKO7.0DwenZhaoAbstract:Dipoleantennaisaverysimpleandcommonusedwireantenna.SelectedadipoleasaexampletoshowhowtouseFEKOsoftwaretoanalyzeawireantennaandgetoutputresults.Keyword：FEKO,dipoleantenna,wireport,wireantenna,POSTFEKO1.概述：FEKO是EMSS公司的一款三维电磁场仿真软件，有机会得到其试用版，希望能通过一个简单的线天线实例来熟悉其使用方法及操作流程。曾经使用过HFSS软件，其中有一个3GHz的偶极子（dipole）天线示例，因此拿到FEKO软件中来试验。众所周知，300MHz频率的电磁波波长为1m，并以此作为微波频率的界限。如果频率增大10倍到3GHz，波长将为原来的1/10，即100mm。Dipole天线是对称振子天线，有两个臂，总长为λ/2。因为一般软件中无法输入希腊字母λ，用lambda变量替代。天线特性，最关注的参数是S11，即天线输入端的反射系数，一般常用dB表示，这时也称回波损耗RL（ReturnLoss）；另一种等效的表示方法是VSWR（电压驻波比）。一般天线的带宽指标常用VSWR表示，一种是小于1.5，一种是小于2，折算成反射系数则为-15dB和-10dB（计算值为-14dB和-9.5dB），一般可用回损曲线判断天线的带宽特性。对于天线，也很关注其远场的方向图及增益。实际测量天线的方向图和增益比较复杂且成本很高，通过仿真软件计算并画出3D图形会更直观和形象。2.FEKO的基本界面：FEKO软件安装后桌面会有2个图标，分别是CADFEKO和POSTFEKO。其中CADFEKO是创建仿真模型、进行相关设置并进行仿真的部分，而POSTFEKO则是仿真结束后对数据进行后处理及显示输出的部分。FEKO仿真都要从CADFEKO开始。双击桌面上的CADFEKO图标，将运行软件并打开界面。界面比较清楚地分块，主要有菜单、工具栏、工程树窗口、几何元窗口、显示窗口和信息提示窗口等几部分。上面一排为菜单，有Home、Construct、Transform、Source/Load、Request、Mesh、Solve/Run、Tools、View、Displayoption共10项菜单，基本是按使用中的顺序排列的。菜单并没有子菜单，而是点击时会改变下面一排工具栏的内容，其中Home菜单对应的工具栏是最常用的一些工具，包括了从参数设置、建模、网格化到运行仿真的一些主要工具。下面的工具栏，会根据菜单的不同而改变，所以共有10种工具栏，里面的工具按钮大多不相同，包括了很多功能，但一种建模及仿真的过程往往只会使用其中的很少一部分，不需要都一一了解，需要时知道用哪一个即可。工程树窗口显示了当前一个工程所包括的分项和内容，可以通过鼠标右键菜单进行查看、设置或添加。几何元窗口显示的是模型包括的线、面、体等组成部分，可以在其中查看某些几何元素的属性，并进行设置或修改。信息提示窗口会在创建模型或运行时提示成功或错误，其中的错误提示会给用户使用有一定帮助。显示窗口以三维方式显示建立的仿真模型，不过其坐标是用U、V、N标识，开始不是很习惯。3.初始设置：FEKO默认的长度单位是m，这里要改为mm。在Home菜单的工具栏中有单位设置工具：鼠标点击后会出现设置界面：在单选按钮中点选Millimetres(mm)即可。为了优化仿真方便，一般模型的尺寸会设置为变量，虽然现在不用优化功能，还是按习惯设为变量。设置变量为Constract菜单的第1个工具按钮：点击后会出现设置对话框，在其中设置lambda和100：因为不是只设置一项，所以使用Add按钮，并接着设置length和0.48*lambda：因为其中使用了前面设置的变量lambda，可以点击按钮Evaluate查看计算出的值。这样，工程树窗口中就添加了两个变量，显示为：4.建立模型：本例中的模型非常简单，只需要一步就可以完成。点击Constract菜单的工具按钮Line：然后会弹出一个设置对话框，其中设置如图：当初设置的变量length为0.48*lambda，即接近于半波长，这是是两个臂的总长度，所以这里的输入的坐标值是线长为length。这里使用的dipole模型是一种简化的模型，忽略两臂之间的间隙，也忽略馈线，这样后面可以使用FEKO的线端口Wireport。5.设置仿真频率：点击下一个菜单Source/Load，第1个按钮为Frequency，用来设置仿真频率：点击后出现对话框，里面有个下拉列表：选择其中第2项，这是要设置一个连续的频率范围。因中心频率约为3GHz，所以设置为1GHz-5GHz，这里的单位是Hz，1G为10的9次方，所以设置如图：6.设置激励端口和激励源：FEKO有一种Wireport，方便设置线天线的激励端口，这与HFSS有很大不同，所以开始用时常常会出错。其实Wireport的设置更简单，只需要在线天线中设置一个激励点即可，间隙都忽略了。如果打开对话框时Edge的输入栏是空白，说明前面没有点选需要设置端口的线天线，这时可以不关闭对话框而用鼠标点击天线体，对应线体就会出现在输入栏中。这里选择线体的中间为Wireport，设为Port1，点击Create或Add后，线体中间会出现一个红蓝点的标识。然后加入激励源，这里使用电压源，也在Source/Load菜单的工具栏中。对话框中有个下拉列表，因为前面只设置了一个口Port1，没有其他选项。因为dipole天线在中心频率处的输入阻抗约为73Ω，馈线一般使用75Ω，这里设为75Ω。7.输出设置：FEKO有一个标准输出设置，一般需要增加很多其他输出要求，需要在Request菜单的工具栏中设置。为了直观显示dipole天线的远场电磁场结构，这里要加Farfield设置：打开对话框，点击其中的3Dpattern，选择默认的3D设置。然后显示窗口中会自动出显示一个球体（可以用鼠标改变窗口大小以看到整体）：8.网格设置：FEKO仿真中网格处理也是很容易出错的地方，设置太小运行会很慢，而设置大又往往报错，这是比较费事的地方。Mesh有单独的菜单，第1个按钮就是创建网格。这里使用的是标准设置，也需要设置一个线段直径，设为0.1。9.运行仿真：以上设置完成后就可以运行仿真了。点击菜单Solve/Run中的FEKOsolver工具按钮。如果有未存的设置，此时会有提示：然后会出现进度条，可以用Stop按钮中途停止：等到进度条到100%，说明仿真完成。10.启动POSTFEKO：仿真完成，就可以对数据进行输出显示，这要启动POSTFEKO。菜单Solve/Run中有POSTFEKO按钮，点击就可以启动。POSTFEKO启动后打开界面，布局与CADFEKO很相似。其中包括Home、Timeanalysis、Reporting、View、Display、Trace、Measure、Format共8个菜单。每个菜单都包含不同的工具栏。如果以前存储了图形显示设置，显示窗口会自动提取数据并按设置进行显示。当然也可以手动提取数据并按设置进行显示。11.远场3D显示：在CADFEKO中已经设置了Farfield的3D仿真，在这里就可以显示。点击3Dview按钮：这时显示窗口中显示的是仿真模型的3D图。点击工具栏中的Farfield按钮：这时显示窗口将显示TotalGain的3D图：显示窗口右侧有一个参数设置面板，可以选择不同的仿真数据（前面只设置了远场3D）：其中的其他下拉列表中还可以选择频率和曲线类型，还有单选按钮和多选框。选择3GHz的方向系数：12.端口反射系数显示：对单端口的天线，主要关心其反射系数的频率曲线。单击Cartesian按钮，显示直角坐标图：然后点击Scatteringmatrix按钮，显示VoltageSource1的S参数：显示窗口显示出VoltageSource1的反射系数：反射系数一般用dB显示，所以勾选右侧参数设置面板的dB复选框：13.天线带宽测量：POSTFEKO菜单中有Measure菜单，其中有多种测量功能。第1项是反射系数带宽按钮：分别点击其中的-15dB、-10dB和-3dB下拉选项，会在显示窗口的曲线中自动加上标记：可以看出，反射系数的-15dB、-10dB带宽分别为0.17GHz和0.32GHz。Measure菜单下的工具栏还有Cursor，点击后可以在显示窗口加入虚实两条垂直线，并能显示与曲线交点的值。Measure菜单的Point按钮还包含下拉列表，其中可以选择Globalmininum，能在曲线上自动标注最小值点：加上Cursor和Globalmininum的反射系数曲线为：有了这样方便的测量工具，在曲线上标注关键点并显示对应数据会更容易。14.天线端口阻抗对反射系数的影响：Dipole天线的中心频率阻抗约为73Ω，前面是以75Ω端口阻抗进行仿真的，反射系数最小值为-31.46dB，而对应的频率为2.987GHz。可以修改显示窗口右侧的参数设置面板，勾选Usecustomreferenceimpedance复选框，使Referenceimpedance文本框可以输入。默认情况下为50Ω，这时反射系数曲线为：从图中看出，反射系数最小值为-15.4dB，对应中心频率点为2.97GHz。如果在Referenceimpedance文本框中手动输入不同的端口阻抗值，当为71Ω时中心频率点的反射系数最小，为-78.2dB。15.设置不同的线天线半径对天线特性的影响：前面的仿真结果并未设定线天线的线径，其实在CADFEKO的显示窗口中点击线天线，鼠标右键菜单中有Properties。选择后会弹出一个对话框，其中就可以设置Localwireradius。把Localwireradius设为1后，再次运行仿真，得到的反射系数曲线为：可以看到反射系数的-15dB、-10dB带宽分别为0.30GHz和0.56GHz，而前面的仿真结果中则分别为0.17GHz和0.32GHz，有了明显的展宽。如果继续增加Localwireradius到2，仿真时会产生一个警告信息：不过仍会产生结果：图中可以看出，反射系数的-15dB、-10dB带宽分别变为0.37GHz和0.71GHz，继续展宽。继续增大Localwireradius将会产生错误信息，使仿真无法进行，不能产生结果进行比较了。16.FEKO线天线仿真的经验：在用HFSS进行dipole天线的仿真时，要用圆柱体分别画出两个臂，而且中间要有一定间隙，圆柱的臂当然也有一定半径，是一个很精细的模型。端口设置激励也较复杂。FEKO对线天线的仿真比较简单，是用线来替代有一定粗细的天线臂，而且不用画出两臂的间隙，对模型设计有很大简化。而且端口激励用电压源，类似一种集总参数的仿真模型。从仿真结果来看，FEKO对线天线的仿真还是比较准确的，而且端口阻抗、线径等对天线特性的影响与理论比较一致。FEKO软件有自己的特色，与HFSS等类似的仿真软件有很多不同。因国内使用者还不多，所以缺少详细的使用说明和实例，开始使用时常常会出现很多错误，需要摸索一定时间才能学会使用。（以上为本人实际使用时的部分经验，初步使用，很多方面尚不熟悉，欢迎批评指正）（更多内容请登录个人网站）