FEKO应用：实现半波振子天线的仿真

本例将仿真分析一个半波偶极子天线，首先采用线模型仿真，其次介绍圆柱模型的仿真，最后介绍对称性的应用，主要涉及建模、求解设置、网格剖分、数据后处理等内容。

FEKO中建立的偶极子天线线模型如图5-1所示，仿真分析频率为300MHz的半波偶极子天线。

图5-1 FEKO中采用线模型创建的偶极子天线

1.线模型仿真流程

（1）新建工程

打开CADFEKO，在窗口中选择“Create a new model”，新建并保存新工程为“dipole_ wireport.cfx”。

（2）定义长度单位

单击“Home”菜单中的“Model unit”按钮，在“Model unit”对话框中可以设定长度的单位，在该例中选择默认的单位“Metres(m)”，如图5-2所示。

图5-2 长度单位设置为m

（3）定义变量

在CADFEKO左侧的树形浏览器中展开“Variables”结点，依次定义如下变量，如图5-3所示。

工作频率：freq=300e6。

工作波长：lam=c0/freq。

线网格剖长度：segl=lam/15。

图5-3 变量定义

（4）模型建立

单击“Construct”菜单中的“Line”按钮，弹出“Create line”对话框，在“Geometry”选项卡中设置：

Start point:(U:0.0;V:0.0;N:-lam/4)。

End point:(U:0.0;V:0.0;N:lam/4)。

Label：dipole。

然后单击“Create”按钮，如图5-4所示。

图5-4 定义半波偶极子天线

此时在左边的树形浏览器中，展开“Model”下的“Geometry”结点，存在新建立的dipole模型，单击“view”→“Zoom to extents”，便可在3D视图（即3D view1）中适中显示建立的模型。

（5）创建端口

首先选择左边树形浏览器中“Model”→“Gemetry”中创建的模型dipole，再在左下角的“Details”树形浏览器中展开“Wires”结点，选中“Wire1”并单击鼠标右键，选择“Create port”→“Wire port”选项，如图5-5所示，弹出如图5-6所示的“Create wire port（geometry）”对话框，设置“Location on wire”为“Middle”。然后单击“Create”按钮。

图5-5 创建Wire port

图5-6 Wire port设置

（6）电参数设置

在左侧的树形浏览器中，由“Construct”选项卡切换到“Configuration”选项卡，展开“Global”结点，双击“Frequency”，弹出“Solution frequency”对话框，选择“Single frequency”，在“Frequency(Hz)”中输入定义好的变量“freq”，单击“OK”按钮。

（7）激励设置

在“Global”结点中，选中“Sources”，单击鼠标右键，选择“Voltage source”选项，弹出“Add voltage source”对话框，如图5-7所示。选择“Port1”选项，默认电压源的幅度为1V，相位为0deg。注意，“Port impedance”为50Ohm，此选项只是计算端口的反射系数时的参考阻抗，该设置不会影响天线端口的实际阻抗值。

图5-7 添加激励

（8）求解设置

在“Configuration specific”结点中，选中“Requests”，单击鼠标右键，选择“Far fields”选项，弹出“Request far fields”对话框，如图5-8所示。单击“3D Pattern”按钮，修改theta的Increment为2.0、Phi的Increment为2.0。设置Label为ff3D。然后单击“Add”按钮。

图5-8 设置3D远场方向图

添加水平面方向图计算，在图5-8中单击“Vertical cut(UN plane)”按钮，设置theta的Increment为2、Phi的Increment为0，设置Label为ffXOZ。然后单击“Create”按钮。

（9）网格划分

在“Mesh”菜单中单击“Create mesh”按钮，弹出“Create mesh”对话框，进行如下设置。

设置“Mesh size”为“Fine”，也可选择“Custom”选项；设置线单元尺寸“Wire segment length”为“segl”；设置“wire segment radius”为“lam/100”。最 后单击“Mesh”按钮生成网格，如图5-9所示。

（10）提交计算

计算方法采用默认的矩量法“MoM”。

在“Solve/Run”菜单中单击“FEKO Solver”按钮，提交计算。也可以选择并行模式，详见第4章。

（11）后处理显示结果

计算完成后，单击“Solve/Run”菜单中的“POSTFEKO”按钮或按〈Alt+3〉快捷键，启动后处理模块POSTFEKO显示结果。

（12）显示3D结果

在“Home”菜单中，单击“Far field”→“ff3D”，在右侧的控制面板中勾选“dB”复选框。进入“Result”菜单，单击“Grid”按钮关闭网格。这时，得到的3D显示效果如图5-10所示。

图5-9 网格设置及剖分

图5-10 半波偶极子天线三维方向图

（13）显示2D结果

切换到“Home”菜单，在“Create new display”中单击“Polar”，进入极坐标系“Polar graph1”，单击“Far field”→“ffXOZ”，会在极坐标系中直接显示Phi=0°极化平面上的2D增益方向图，如图5-11所示。在右侧控制面板的Traces区域，自动生成ffXOZ，选中Trace：ffXOZ，在控制面板中进行设置，勾选“dB”复选框。

图5-11 半波偶极子天线二维切面增益方向图

将鼠标光标放置到2D图的轴向标尺上，单击鼠标右键，选择“Axis settings”选项，在弹出的对话框中选择“Radial”选项卡，取消勾选“Automatically determine the grid ranges”复选框，设置“Minimum Value”为“-10”、“Maximum value”为“4”，如图5-12所示。可对2D图中的轴向标尺进行调整。

图5-12 2D视图中标尺的调整(www.chuimin.cn)

进入“Home”菜单，单击“Save project”按钮，保存计算结果文件为“dipole_ wireport.pfs”，关闭POSTFEKO。

2.体模型仿真流程

真实的偶极子天线是有一定半径的，当天线的半径不能忽略时（FEKO中要求剖分后的线单元长度至少是线单元半径的4倍），需要采用体模型来模拟线结构，此时需要采用棱边激励端口。

打开刚才新建的工程“dipole_wireport.cfx”，单击左上角起始菜单中的“Save as”按钮，将其另存为“surf_dipole.cfx”。

（1）添加变量

添加变量radius=0.01；tri=min(lam/10,radius/3)。

（2）创建模型

在左侧的树形浏览器中，在“Geometry”下选择“dipole”，按〈Delete〉键，或右键选择“delete”选项。单击“Construct”菜单中的“Cylinder”按钮，弹出“Create cylinder”对话框，如图5-13所示。在“Geometry”选项卡中进行如下设置。

Base centre:(U:0,0;V:0,0;N:-lam/4)。

Radius(R):radius。

Height：lam/2。

Label:surf_dipole。

然后单击“Create”按钮。

图5-13 体模型偶极子创建

为了创建棱边段，需要在创建的圆柱的中心位置创建棱边edge。单击“Construct”菜单，“ellipse”按钮，弹出“Create ellipse”对话框，在“Geometry”选项卡中按照图5-14所示进行设置，创建圆环。

图5-14 创建圆环

在左侧的树形浏览器中的“Geometry”结点下，同时选中“Ellipse1”和“surf_dipole”并单击鼠标右键，选择“Apply”→“Union”选项，对两个模型进行合并，如图5-15所示。选择合并后的模型“Union1”并单击鼠标右键选择“Rename”选项，将名称修改为“surf_dipole”。

图5-15 合并两个模型

模型合并后将在“surf_dipole”中间生成“Edge”，同时会在模型中央生成一个多余的圆面，可以删除这个圆面进行简化。选择“Display options”→“Geometry”，只勾选“Faces”复选框，方便下一步在图中选择要删除的圆面。单击“Cutplanes”按钮，选择“Global ZX”，勾选“Active”复选框，如图5-16所示。可通过“Flip”调整在3D视图中显示哪一部分。

图5-16 单击“Cutplanes”按钮在视图上把模型切开

修改鼠标的选择方式为选择面，单击圆柱中央的圆面并删除，如图5-17所示，重新选择“Display options”→“Cutplanes”，取消勾选“Active”复选框。

图5-17 删除中央的圆面

（3）创建Edge port

选择“Display options”→“Geometry”，重新勾选“Edges”，如图5-18所示，选择圆柱中央的Edge，单击鼠标右键，选择“Create Port”→“Edge port”，在弹出的“Create edge port（geometry）”对话框中的“Positive faces”列表框中选择任意一个面（黄色显示），单击“Move to negative faces”按钮。单击“Create”按钮关闭对话框。

图5-18 创建Edge port

（4）激励设置

左边的树形对话框中切换到“Configuration”，在“Global”中，选中“Sources”并单击鼠标右键，选择“Voltage source”选项，弹出“Add voltage source”对话框，选择“Port1”，默认电压源的幅度为1V，相位为0deg。注意，“Port impedance”为50Ohm，此选项只是计算端口的反射系数时的参考阻抗，该设置不会影响天线端口阻抗的计算。

（5）网格剖分

单击“Mesh”菜单中的“Create mesh”按钮，弹出“Create mesh”对话框，设置网格剖分方法“Mesh size”为“Standard”。切换到“Advanced”选项卡，调整“Refinement factor”参数，如图5-19所示。单击“Mesh”按钮生成网格。

图5-19 创建网格

（6）提交计算

计算方法采用默认的矩量法“MoM”。

在“Solve/Run”菜单中，单击“FEKO Solver”按钮，或单击右上角的FEKO计算图标提交计算。

（7）后处理显示结果

计算完成后，单击“Solve/Run”菜单中的“POSTFEKO”按钮或右上角的POSTFEKO按钮，启动后处理模块POSTFEKO显示结果。

在“Home”菜单中，在“Create new display”中单击“Polar”，进 入极坐标系“Polar Graph1”，单击“Far field”→“ffXOZ”，会在极坐标系中直接显示Phi=0°极化平面上的2D增益方向图，在右侧控制面板的Traces区域，自动生成ffXOZ，选中Trace：ffXOZ，在控制面板中进行设置，勾选“dB”复选框。

在“Home”菜单中单击“Add model”，选择硬盘中保存的“dipole_wireport.fek”。在2D窗口“Polar graph1”中，单击“Far field”，选择“dipole_wireport”工程对应的计算结果“ffXOZ”。同样，将此条曲线也设置为“dB”显示。这样在图形中同时显示了采用Wire port及Edge port的计算结果。选择“Traces”中的“ffXOZ_1”，单击菜单栏中的“Format”→ “Marker style”，为某条曲线增加Marker图标，如图5-20显示。

图5-20 Wire port与Edge port计算的增益曲线对比

（8）应用对称性

FEKO中有3种对称性设置：几何对称（Geometric symmetry）、电对称（Electric symmetry）、磁对称（Magnetic symmetry）。图5-21和图5-22所示是电对称和磁对称的说明。

图5-21 电对称

图5-22 磁对称

打开刚才新建的工程“surf_dipole.cfx”，单击左上角起始菜单中的“Save as”按钮，将其另存为“surf_dipole_sy.cfx”。

在“Solve/Run”菜单中单击“Symmetry”按钮，在图5-23所示的界面中选择几何对称面、磁对称面、电对称面。

图5-23 对称面设置

设定对称性后，需要重新剖分网格。在菜单栏中单击“Mesh”→“Create mesh”，采用默认设置，单击“Mesh”按钮，重新剖分网格。

进入“Solve/Run”菜单，单击“FEKO Solver”按钮，或单击右上角的FEKO计算图标提交计算。

计算完成后，单击“Solve/Run”菜单中的“POSTFEKO”按钮或右上角的POSTFEKO按钮，启动后处理模块POSTFEKO显示结果。

进入“Home”菜单，在“Create new display”中单击“Polar”，进 入极坐标系“Polar graph1”，单击“Far field”→“ffXOZ”，会在极坐标系中直接显示Phi=0°极化平面上的2D增益方向图，在右侧控制面板的Traces区域，自动生成ffXOZ，选中Trace：ffXOZ，在控制面板中进行设置，勾选“dB“复选框。在2D图中选中轴向坐标，单击鼠标右键，选择“Axis setting”选项，修改“Maximum dynamic range in dB”为10，单击“OK”按钮。

在“Home”菜单中单击“Add model”，选择硬盘中保存的“surf_dipole.fek”。在2D窗口“Polar graph1”中，单击“Far field”，选择“surf_dipole”工程对应的计算结果“ffXOZ”。同样，将此条曲线也设置为“dB”显示。这样在图形中同时显示了采用Edge port及Edge port+对称性的计算结果。选择“Traces”中的“ffXOZ_1”，单击菜单栏中的“Format”→“Marker style”，为“surf_dipole”曲线增加Marker图标，如图5-24显示。

图5-24 Edge port+对称性与Edge port计算的增益曲线对比