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FEKO仿真原理及工程应用:远近场等效技术

【摘要】:FEKO同时支持口面近场等效和远场等效方法,应用起来也非常简单实用。口面近场的等效方法适用于天线等效、复杂电路板的等效等。

对于关心天线布局的系统工程师和天线罩透波的设计师,往往很难得到天线详细的几何数据模型,从天线设计师得到天线的仿真结果数据(方向图或包络场)或利用天线的测试数据是一种可行的方法。即使可以得到天线详细几何数据模型,要进行天线布局或天线罩透波特性的分析,采用等效源来代替复杂的天线模型会大大降低计算的复杂度,是一种很好的解决该类工程问题的方法。这种方法也适用于反射面天线的仿真。

FEKO同时支持口面近场等效和远场等效方法,应用起来也非常简单实用。可以利用FEKO软件仿真天线,同时得到天线远场方向图数据文件(*.ffe)或天线的包络场文件(*.efe和*.hfe)。

1.口面近场等效

基于惠更斯等效原理(见图4-6),用天线的包络场能够精确等效天线的辐射,如图4-7所示。

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图4-6 口面近场基本原理

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图4-7 利用口面近场等效波导缝隙天线

在CADFEKO中要应用口面近场等效的设置方法如下:

在左侧的“模型与求解树形浏览器”中,选择“Configuration”选项卡,展开“Global”结点,选中“Sources”,单击鼠标右键,选择“Near field”选项,弹出“Add near field source”对话框,单击“Field data”右侧的按钮978-7-111-56144-6-Chapter04-9.jpg”,选择“Define near field data file structure”后,进入“Define near field data file structure”对话框,这里应用的数据可以是FEKO生成的.efe&.hfe文件,也可以是ASCII文件形式,如图4-8所示。

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图4-8 读取口面近场数据作为等效源

在图4-8中间图片所示,如果选择“Import near field data from file”,则可以读入其他仿真软件(如Cadence的PCB分析模块sigirity的*.nfd格式文件)或测试数据(来自于Orbit satimo Measurement file-*.mfxml)。

参考本章4.4.1节关于近场设置部分,在进行近场设置计算时,在“Request near fields”对话框中选择“Advanced”选项卡,勾选“Export fields to ASCII file(*.efe,*.hfe)”复选框,如图4-9所示。在计算完成后,会直接生成*.efe和*.hfe文件,以直角坐标系为例(见图4-10),该文件中的主要参数包括:

电场文件*.efe:X Y Z Re(Ex) Im(Ex) Re(Ey) Im(Ey) Re(Ez) Im(Ez)

磁场文件*.hfe:X Y Z Re(Hx) Im(Hx) Re(Hy) Im(Hy) Re(Hz) Im(Hz)

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图4-9 生成口面近场数据文件

如果是其他软件生成的近场数据,如图4-11所示,也可以按照如下格式来存成文本文件: 电场文件*.dat/.txt:X Y Z Mag(Ex) Phase(Ex) Mag(Ey)Phase(Ey) Mag(Ez)Phase(Ez) 磁场文件*.dat/.txt:X Y Z Mag(Hx) Phase(Hx) Mag(Hy) Phase(Hy) Mag(Hz)P hase(Hz)

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图4-10 生成的口面近场数据文件格式

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图4-11 读入其他软件生成的口面近场数据(文本格式.dat或.txt)

对于阵列天线,也可以利用单元天线的口面场,生成多个口面近场的阵列,调整每一个口面场的放置位置,并可对每一个口面近场的幅度和相位进行加权。(www.chuimin.cn)

口面近场的等效方法适用于天线等效、复杂电路板(读入Cadence的仿真数据或来自于测试数据)的等效等。

口面近场也可以作为理想接收源,通过计算直接得到接收功率,等效接收天线或电路板的接收。

2.远场等效法

远场等效的方法多应用于天线布局的发射天线等效和反射面天线的馈源天线等效。

在CADFEKO中应用远场点源等效的设置方法如下:

在左侧的“模型与求解树形浏览器”中,选择“Configuration”选项卡,展开“Global”结点,选中“Sources”,单击鼠标右键,选择“Far field”选项,弹出“Add far field point source”对话框,单击“Field data”右侧的按钮“978-7-111-56144-6-Chapter04-14.jpg”,选择“Define far field data”选项后,进入“Define far field data”对话框,这里应用的数据可以是FEKO生成的.ffe文件,也可以是ASCII文件形式,如图4-12所示。

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图4-12 读取远场数据作为点等效源

参考本章4.4.2节中关于远场设置的部分,在进行远场设置计算时,在“Request far fields”对话框中选择“Advanced”复选框,勾选“Export fields to ASCII file(*.ffe)”或“Export spherical expansion coefficients to ASCII file”复选框,如图4-13所示。在计算完成后,会直接生成*.ffe或*.sph文件,如图4-14所示。在*.ffe文件中的主要参数包括:

远场文件*.ffe:Theta Phi Re(Etheta)Im(Etheta)Re(Ephi)Im(Ephi)Directivity(theta) Directivity(phi)Directivity(Total)

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图4-13 生成远场数据文件(*.ffe)或球面模式场文件(*.sph)

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图4-14 生成的远场数据文件格式(*.ffe)

如果是其他软件生成的近场数据,如图4-15所示,也可以按照如下格式来存成文本文件:

远场文件*.dat/.txt:Theta Phi Mag(Etheta)Phase(Etheta)Mag(Ephi)Phase(Ephi)

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图4-15 读入其他软件生成的远场数据(文本格式.dat或.txt)

对于阵列天线,也可以利用单元天线的远场数据(如*.ffe),通过生成多个远场点源来调整每一个点源的放置位置,并可对每一个远场点源的幅度和相位进行加权。可以利用LUA脚本来快速生成这些阵列,或在EDITFEKO中通过循环直接生成,如图4-16所示。

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图4-16 64×64波导喇叭天线阵列(左)和64×64个远场方向图组成的阵列(右)

远场点源等效也可以作为理想接收源,通过计算直接得到接收功率,等效于接收天线。

第5章中关于反射面天线的仿真应用详细介绍了各种等效源的使用方法。