多天线隔离度的改善在锥台结构平台上的FEKO仿真应用

启动CADFEKO，新建一个工程“multi_ants_coupling_on_cone_platform_s21.cfx”，模型几何单位采用默认m（米）。完整的工程文件参见链接资源中的“…/chapter07/app2/ completed/multi_ants_coupling_on_cone_platform_s21.cfx”。

（1）定义变量

在CADFEKO中左侧的树形浏览器中双击“Variables”结点，依次定义如下变量。

工作频率：freq=100e6。

工作波长：lam=c0/freq。

天线高度：ant_H=lam/4。

天线离锥台顶部的距离：ant_pos0=0.1*lam。

锥台的长度：L=3*lam。

遮挡体的位置参数（扫参参数）：dis=0。

遮挡体的起始位置：pos_start=L*0.3。

锥台顶部半径：R1=0.25*lam。

锥台底部半径：R2=0.35*lam，如图7-19所示。

图7-19 定义变量

（2）模型建立

锥台模型建立：单击“Construct”菜单中的“Cone”按钮，弹出“Create cone”对话框，进行如下设置。

选择“Workplane”选项卡，修改“V vector”为(X：0.0,Y：0,Z：-1)。

返回“Geometry”选项卡：

Base centre(B)：(U：0.0;V：0.0;N：-L/2)。

Base radius(Rb)：R1。

Height(H)：L。

Top radius(Rt)：R2。

Label：Cone。

单击“Create”按钮，如图7-20所示。

图7-20 创建锥台模型“Cone”

在3D视图区域，按〈F5〉键，模型适中显示。

定义工作平面：在左侧的树形浏览器中，选中“Workplane”结点，单击鼠标右键，选择“Add workplane”选项，或直接按〈F9〉键，弹出“Create workplane”对话框。

把光标定在“Origin”区域，同时按住〈Ctrl+Shift〉快捷键，在3D视图中移动鼠标光标拾取图7-21所示位置的坐标，确定工作坐标系如图7-21所示，在“Label”文本框中输入“Workplane1”，单击“Create”按钮。在左侧的树形浏览器中，在“Definitions”→“Workplanes”结点下会出现新生成的“Workplane1”。

图7-21 定义工作平面

天线模型建立：在“Construct”菜单中，单击“Line”按钮，弹出“Create line”对话框，进行如下设置。

选择“Workplane”选项卡：

把光标定位在“Origin”区域，同时按住〈Ctrl+Shift〉键，单击选中新建立的“Workplane1”。

返回“Geometry”选项卡：

Start point：(U：0.0;V：ant_pos0;N：0.0)。

End point：(U：0.0;V：ant_pos0;N：ant_H)。

Label：ant1。

单击“Add”按钮，继续设置。

Start point：(U：0.0;V：L-ant_pos0;N：0.0)。

End point：(U：0.0;V：L-ant_pos0;N：ant_H)。

Label：ant2。

单击“Create”按钮，如图7-22所示。

（3）定义天线端口

在左侧的树形浏览器中，选中新建立的天线模型“ant1”，（或 在3D视图中，切换到线选模式，点选模型“ant1”），在左下角的“Details”中，展开“Wires”结点，选择“Wire3”，单击鼠标右键，选择“Create port”→“Wire port”选项，弹出“Create wire port(geometry)”对话框，采用默认设置，单击“Add”按钮，如图7-23所示。

图7-22 创建天线模型

图7-23 创建天线1的端口Port1

在3D视图中，单击选中模型“ant2”，在“Create wire port(geometry)”对话框中单击“Create”按钮（或使用与Port1相同的方法创建Port2）在模型“ant2”与锥台的交点位置上建立端口Port2，如图7-24所示。

图7-24 创建天线2的端口Port2

（4）遮挡模型建立

遮挡体模型建立：在“Construct”菜单中，单击“Cuboid”按钮，弹出“Create cuboid”对话框，进行如下设置。

进入“Geometry”选项卡：

Base corner(C)：(U：-0.1*lam;V：0.0;N：0.0)。

Width(W)：0.2*lam。

Depth(D)：0.01*lam。

Height(H)：0.45*lam。

Label：Cubiod。

单击“Create”按钮，如图7-25所示。

在左侧的树形浏览器中，展开“Geometry”结点，选择新建立的“Cubiod”，单击鼠标右键，选择“Transform”→“Translate”选项，如图7-26所示，弹出“Translate”对话框，进行如下设置。

图7-25 定义遮挡体

图7-26 模型平移

进入“Workplane”选项卡，把光标定位在“Origin”区域，同时按住〈Ctrl+Shift〉快捷键，在左侧的树形浏览器中的“Workplanes”结点中，选择“Workplane1”。

进入“Translate”选项卡：

From：(U：0.0;V：0.0;N：0.0)。

To：(U：0.0;V：-pos_start;N：0.0)。

单击“OK”按钮，如图7-27所示。

图7-27 初始化遮挡体的位置

参数化遮挡体的位置：为便于扫参时，该模型沿着锥台的侧壁滑动，高度不变。选中模型“Cubiod”，单击鼠标右键，选择“Transform”→“Translate”选项，弹出“Translate”对话框，进行如下设置。

进入“Workplane”选项卡，把光标定位在“Origin”区域，同时按住〈Ctrl+Shift〉快捷键，在左侧的树形浏览器中的“Workplanes”结点中，选择“Workplane1”。

进入“Translate”选项卡：

From：(U：0.0;V：0.0;N：0.0)。

To：(U：0.0;V：dis;N：0.0)。

单击“OK”按钮，如图7-28所示。

图7-28 参数化（沿V轴平移dis距离）遮挡体沿锥台侧边的滑动距离

在左侧的树形浏览器中，展开“Geometry”结点，选择新建立的所有模型“ant1”“ant2”“Cone”“Cubiod”等，单击鼠标右键，选择“Apply”→“Union”选项，把新生成的模型更名为“ant_with_Cubiod_on_Cone”。

选中新生成的模型“ant_with_Cuboid_on_Cone”，单击鼠标右键，选择“Apply”→“Simpify”选项，弹出“Simplify geometry”对话框，采用默认设置，直接单击“Create”按钮（遮挡体在锥台内部的部分会自动删除）。

图7-29 简化模型

（5）电参数设置

在左侧的树形浏览器中，由“Construct”切换到“Configuration”，进行如下设置。

工作频率设置：展开“Global”结点，双击“Frequency”结点，在弹出的“Solution frequency”对话框中设置如下。

选择：Linearly spaced discrete points。

Start frequency(Hz)：freq*0.8。

End frequency(Hz)：freq*1.2。

Number of frequencies：21。

单击“OK”按钮，如图7-30所示。

图7-30 设置工作频率

求解设置：在“Configuration Specific”结点中，选中“Requests”，单击鼠标右键，选择“Multiport S-parameter”选项，弹出“Request S-parameters”对话框，按照图7-31所示进行设置，最后单击“Create”按钮。

(www.chuimin.cn)

图7-31 设置S参数计算

这时，在左侧的树形浏览器的上方的“Configurations”区域内新生成了一个“Sparameter Configuration1”。

激励加载：在左侧的树形浏览器上方的“Configurations”区域内，单击选中“Standard Configuration1”，进入“Configuration”选项卡中，展开“Global”结点，选中“Sources”，单击鼠标右键，选择“Specify sources per configuration”选项，这时，“Source”结点会直接从“Global”结点中跳转到“Configuration specific”结点中。在“Configuration specific”结点中，选中“Sources”结点，单击鼠标右键，选择“Voltage source”选项，弹出“Add voltage source”对话框，采用默认设置（“Port”默认为“Port1”），单击“Create”按钮完成设置，如图7-32所示。

图7-32 设置电压源为1V，端口参考阻抗为50Ohm

阻抗加载：在左侧的树形浏览器中，在“Configuration”选项卡中单击“Configuration settings”下拉组合框，选择“Loads per configuration”，再次选中“Configuration specific”结点，单击鼠标右键，选择“Add load”选项，弹出“Create load”对话框，进行如下设置。

Port：Port2。

Load type：Complex impedance。

Real part：50。

Label：Load2。

单击“Create”按钮，如图7-33所示。

图7-33 定义端口2的阻抗加载

功率加载：在左侧的树形浏览器中，在“Configuration”选项卡中，选中“Configuration specific”结点，单击鼠标右键，选择“Specify power per configuration”选项，再次选中“Configuration specific”结点，单击鼠标右键，选择“Power”选项，弹出“Power settings”对话框，进行如下设置。

选中：Incident power(transmission line model)。

Source power(Watt)：1。

Real part of Z0：50。

单击“OK”按钮，如图7-34所示。

图7-34 设定输入功率，考虑激励源端口的反射

（6）网格划分

单击“Mesh”菜单中的“Create Mesh”按钮，弹出“Create mesh”对话框，设置如下。

网格剖分方法“Mesh size”：Standard。

线段半径“Wire segment radius”：lam/90。

单击“Mesh”按钮生成网格，如图7-35所示。

图7-35 定义网格划分

（7）提交计算

计算方法采用默认的矩量法“MoM”。

进入“Solve/Run”菜单，单击“FEKO Solver”按钮，提交计算。可以选择并行模式。

（8）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。

显示2D结果，在“Home”菜单中单击“Cartesian”，生成直角坐标系“Cartesian Graph1”。在“Home”菜单中，单击“Scattering Matrix”按钮“”下的“SParameter1”，在右侧的控制面板中进行如下设置。

在“Traces”区域内选中“SParameter1”。

将“Fixed”中的“S-Parameter”设置为“S2,1”。

勾选“dB”复选框。

单击“Power”按钮“”下的“Load2”，在右侧的控制面板中进行如下设置。

在“Traces”区域内选中“Load2”。

勾选“dB”复选框。

保证“Traces”区域内的“Load2”处于选中状态，进入“Format”菜单，单击“Marker style”按钮“”下的“”，如图7-36所示。

两种计算方法得到的天线隔离度（S参数法与功率法）曲线如图7-36所示，可以看出两种方法计算的结果完全一致。

图7-36 天线隔离度曲线（S参数法对比功率法）

进入“Home”菜单，单击“Save project”按钮，保存计算结果文件为“multi_ants_ coupling_on_cone_platform_s21.pfs”，关闭POSTFEKO。

下面应用扫参法调整遮挡体的位置。

返回CADFEKO中，单击起始菜单中的“Save as”按钮，把“multi_ants_coupling_on_ cone_platform_s21.cfx”另存为“multi_ants_coupling_on_cone_platform_s21_opt.cfx”。

（1）修改求解设置

在左侧的树形浏览器上方的“Configurations”区域内选中“StandardConfiguration1”，删除该求解设置，只保留“SParameterConfiguration1”。

工作频率修正：在左侧的树形浏览器中，进入“Configuration”选项卡，展开“Global”结点，双击“Frequency”结点，弹出“Solution frequency”对话框，进行如下设置。

选择：Single frequency。

Frequency(Hz)：freq。

单击“OK”按钮。

（2）添加扫参优化设计

在左侧的树形浏览器中，选择“Construct”选项卡，进行如下设置。

单击右上角的“+”号，选择“Optimization”→“Add Search”选项，弹出“Add optimization search”对话框，进行如下设置。

Method type：Grid search。

单击“Create”按钮，如图7-37所示。

在左侧的树形浏览器中，自动添加了“Optimisation”结点，新定义的Search1自动生成，展开“Search1”结点，选中“Goals”结点，单击鼠标右键，选择“S-matrix goal”选项，弹出“Create S-parameter goal”对话框，进行如下设置。

Focus source label：SParameter1。

Quantity：Coupling coefficient(Smn)。

勾选：Specify input port number(n)，设置值为1。

勾选：Specify output port number(m)，设置值为2。

图7-37 设置优化方法（扫参）

接着，按照表7-1所示设置优化目标函数。

表7-1 设置优化目标函数

Operator type：Greater than。

Goal objective：Single value。

Value：0.0。

Label：SParameterGoal1。

单击“Create”按钮，如图7-38所示。

图7-38 定义优化目标函数

在左侧的树形浏览器中的“Search1”结点中，双击“Parameters”结点，弹出“Optimisation parameters”对话框，进行如下设置。

Variable：dis。

Min value：0。

Max value：pos_start*2。

Start value：0。

Grid points：31。

单击“OK”按钮，如图7-39所示。

图7-39 定义自变量参数

（3）网格生成

采用原有的网格即可。

（4）提交计算

计算方法采用默认的矩量法“MoM”。

进入“Solve/Run”菜单，单击“OptFEKO”按钮“”，或按〈Alt+6〉快捷键，提交计算。可以选择并行模式。

（5）后处理显示结果

在计算的过程中，可以直接启动POSTFEKO显示优化的动态过程（目标函数的变化以及模型的变化）。在3D视图中，会直接显示载体模型（随着优化的进行，动态显示遮挡体在锥台上的滑动）。

在“Home”菜单，单击“Cartesian”，生成“Cartesian graphic1”，单击“”下拉按钮，选择“Optimisation”，在右侧的控制面板中进行如下设置。

在“Traces”区域内选中“Optimisation”。

在“Fixed”区域中，修正“Trace”为“search1.goals.sparametergoal1”，如图7-40所示。

进入“Home”菜单，单击“Save project”按钮，保存计算结果文件为“multi_ants_ coupling_on_cone_platform_s21_opt.pfs”，关闭POSTFEKO。

图7-40 显示优化过程，纵坐标为隔离度，横坐标为遮挡体的位置编号n