FEKO仿真实现：天线特征模分析

本节将介绍如何利用FEKO的CMA技术进行MIMO天线的快速设计。椭圆圆环型结构天线如图10-74所示。

图10-74 MIMO天线结构

启动CADFEKO，新建一个工程“MIMO_ring.cfx”。

在“Home”菜单中，单击“Model Unit”按钮，弹出“Model Unit”对话框，设置长度单位为mm（毫米）。

（1）定义变量

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

中心工作频率：freq=2.4e9。

金属椭圆环内部U轴半径：rInU=21。

金属椭圆环内部V轴半径：rInV=rInU*0.8。

金属椭圆环外部U轴半径：rOutU=31。

金属椭圆环外部U轴半径：rOutV=rOutU*0.8。

（2）模型创建

单击“Construct”菜单中的“Elliptic arc”按钮，弹出“Create elliptic arc”对话框，进行如下设置。

Centre point(C)：(U：0.0，V：0.0，N：0.0)。

Radius(Ru)：rOutU；Radius(Rv)：rOutV。

Start angle(A0)：0.0；End angle(A1)：90。

Label：EllipticArc1。

单击“Add”按钮，继续设置。

Radius(Ru)：rInU；Radius(Rv)：rInV。

Label：EllipticArc2。

单击“Create”，如图10-75所示。

图10-75 模型创建设置

在左侧的树形浏览器中，在“Construct”选项卡中，展开“Model”→“Geometry”结点，同时选中新创建的“EllipticArc1”和“EllipticArc2”，单击鼠标右键，选择“Apply”→“Loft”选项，弹出“Create loft”对话框，采用默认设置，把新生成的模型更名为“sector_1”。

选中模型“sector_1”，单击鼠标右键，选择“Copy Special”→“and Mirror”选项，弹出“Copy and mirror”对话框，进行如下设置。

Plane：UN。

单击“OK”按钮。

把新生成的模型更名为“sector_2”。

同时选中模型“sector_1”和“sector_2”，单击鼠标右键，选择“Copy Special”→“and Mirror”选项，弹出“Copy and mirror”对话框，进行如下设置。

Plane：VN。

单击“OK”按钮，如图10-76所示。

同时选中模型“sector_1”“sector_2”“sector_3”和“sector_4”，单击鼠标右键，选择“Apply”→“Union”选项，把新生成的模型更名为“MiMO_ant”。

图10-76 模型镜像与复制

（3）创建端口

进入“View”菜单，单击“Top”按钮，在3D视图中，模型显示如图10-77所示，点选左侧的水平棱边（单击多次，选择模式自动切换，切换到棱边选择模式），单击鼠标右键，选择“Create port”→“Edge port”选项，弹出“Create edge port(geometry)”对话框。

在“Positive faces”区域内，选中该棱边下边的面元“MiMo_ant.Face1_2”（面元的名称与操作时的面元编号可能不同，应与操作时所用的面元对应），单击“Move to negtive faces”按钮。

Label：Port_West。

单击“Create”按钮，如图10-77所示。

图10-77 定义端口“Port_West”

在3D视图中，模型显示如图10-78所示，点选右侧的水平棱边，单击鼠标右键，选择“Create port”→“Edge port”选项，弹出“Create edge port(geometry)”对话框。

在“Positive faces”区域内，选中该棱边上边的面元“MiMo_ant.Face1_1”（面元的名称与操作时的面元编号可能不同，应与操作时所用的面元对应），单击“Move to negtive faces”按钮。

Label：Port_East。

单击“Create”按钮，如图10-78所示。

图10-78 定义端口“Port_East”

在3D视图中，模型显示如图10-79所示，点选下侧的垂直棱边，单击鼠标右键，选择“Create port”→“Edge port”选项，弹出“Create edge port（geometry）”对话框。

在“Positive faces”区域内，选中该棱边右侧的面元“MiMo_ant.Face1_4”（面元的名称与操作时的面元编号可能不同，应与操作时所用的面元对应），单击“Move to negtive faces”按钮。

Label：Port_South。

单击“Create”按钮，如图10-79所示。

图10-79 定义端口“Port_South”

在3D视图中，模型显示如图10-80所示，点选上侧的垂直棱边，单击鼠标右键，选择“Create port”→“Edge port”选项，弹出“Create edge port（geometry）”对话框。

在“Positive faces”区域内，选中该棱边左侧的面元“MiMo_ant.Face1_3”（面元的名称与操作时的面元编号可能不同，应与操作所用的面元对应），单击“Move to negtive faces”按钮。

Label：Port_North。

单击“Create”按钮，如图10-80所示。

图10-80 定义端口“Port_North”

（4）设置工作频率

在左侧的树形浏览器中，选择“Configuration”选项卡，在“Global”结点中，双击“Frequency”结点，弹出“Solution frequency”对话框，设置“Frequency(Hz)”为“freq”，单击“OK”按钮。

（5）设置求解参数（特征模）

在左侧的树形浏览器中，在“Configuration”选项卡中，在“Configuration specific”结点中，选中“Requests”并单击鼠标右键，选择“Characteristic modes”选项，弹出“Request characteristic modes analysis”对话框，进行如下设置。

Number of modes to calculate：5。

单击“Create”按钮，如图10-81所示。

图10-81 设置模式求解分析与要考虑的模式数

（6）设置远场

在“Configuration specific”结点中选择“Requests”结点，单击鼠标右键，选择“Far fields”选项，弹出“Request far fields”对话框，进行如下设置。

单击“3D pattern”按钮。

Increment：(θ：1;ϕ：1)。

Label：ff_3D。

单击“Create”按钮，如图10-82所示。

图10-82 设置远场求解

（7）设置电流

在“Configuration specific”结点中选择“Requests”结点，单击鼠标右键，选择“Currents”选项，弹出“Request currents”对话框，采用默认设置，单击“Create”按钮，如图10-83所示。

图10-83 设置电流

设置求解参数——激励模式1：在左侧的树形浏览器上方的“Configurations”中，存在“StandardConfiguration1”和新添加的“CharacteristicModeConfiguration1”，选中“Standard-Configuration1”，将其更名为“ExciteMode_1”。

在左侧的树形浏览器的“Configuration”选项卡中，展开“Global”结点，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，进行如下设置。

Port：Port_East。

Label：vEast。

单击“Add”按钮，继续设置。

Port：Port_West。

Phase(degrees)：180。(www.chuimin.cn)

Label：vWest。

单击“Create”按钮，如图10-84所示。

图10-84 设置激励源

在“Global”结点中选中“Sources”结点中，单击鼠标右键，选择“Specify sources per configuration”选项，这时“Sources”结点会移到“Configuration specific”结点中（目的是让激励对应不同的求解）。

（8）设置远场求解

在“Configuration specific”结点中选择“Requests”结点，单击鼠标右键，选择“far fields”选项，弹出“Request far fields”对话框，进行如下设置。

单击“3D pattern”按钮。

Increment：(θ：1;ϕ：1)。

Label：ff_3D。

单击“Create”按钮，如图10-85所示。

图10-85 设置远场求解

（9）设置电流

在“Configuration specific”结点中选择“Requests”结点，单击鼠标右键，选择“Currents”选项，弹出“Request currents”对话框，采用默认设置，单击“Create”按钮，如图10-86所示。

图10-86 设置电流计算

（10）设置求解参数（激励模式5）

在左侧的树形浏览器上方的“Configurations”中，选中“ExciteMode_1”，单击鼠标右键，选择“Copy(Duplicate)”选项，把新生成的“ExciteMode_1_1”更名为“Excite Mode_5”。

（11）添加激励设置

在“Configuration specific”结点，展开“Sources”结点，双击“vWest”，弹出“Modify voltage source”对话框，进行如下设置。

Phase(degrees)：0。

单击“OK”按钮，如图10-87所示。

图10-87 添加激励设置

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，进行如下设置。

Port：Port_North。

Label：vNorth。

Phase(degrees)：180。

单击“Add”按钮，继续设置。

Port：Port_South。

Phase(degrees)：180。

Label：vSouth。

单击“Create”按钮，如图10-88所示。

图10-88 设置电压激励

（12）设置几何对称

进入“Solve/Run”菜单，单击“Symmetry”按钮，弹出“Symmetry definition”对话框，进行如下设置。

X=0 plane：Geometric symmetry。

Y=0 plane：Geometric symmetry。

单击“OK”按钮，如图10-89所示。

图10-89 设置几何对称

（13）网格剖分

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

Mesh size：Fine。

单击“Mesh”按钮，如图10-90所示。

图10-90 设置网格剖分

（14）提交计算

进入“Solve/Run”菜单，单击“FEKO Solver”按钮，提交FEKO计算。

（15）结果显示

在CADFEKO中，进入“Solve/Run”菜单，单击“POSTFEKO”按钮，启动后处理模块POSTFEKO。

3D云图显示（电流）：在“Home”菜单中，单击“Current”按钮，选择在CADFEKO中设置的“Current1”，默认情况下显示的是CMA分析（即CharacteristicMode Configuration1）得到的电流。在右侧的控制面板中，进行如下设置。

Mode index：1。

选中：Instantaneous magnitude。

勾选：dB，如图10-91所示。

进入“Result”菜单，单击“Show arrows”按钮，再单击“Arrow size”，选择“40%”。

图10-91 显示模式1的电流分布

在右侧的控制面板中设置“Mode index”为5，如图10-92所示。

图10-92 显示模式5的电流分布

在右侧的控制面板顶部区域“MIMO_ring1 source”中，点选“ExciteMode_1”，显示添加激励激发模式1时的电流云图分布，如图10-93所示。

图10-93 显示添加激励激发模式1的电流分布

在右侧的控制面板顶部区域“MIMO_ring1 source”中，点选“ExciteMode_5”，显示添加激励激发模式5时的电流云图分布，勾选“Normalise”和“dB”两个复选框，如图10-94

图10-94 显示添加激励激发模式5的电流分布（归一化）

2D远场显示：在“Home”菜单中，单击“Polar”按钮，显示极坐标显示“Polar graph1”，单击“Far field”按钮下的“CharacterisitcModeConfiguration1”中的ff_3D，在右侧的控制面板中进行如下设置。

Independent axis(Angular)：Theta(wrapped)。

Mode index：1，如图10-95所示。

图10-95 显示模式1的远场电场（Phi=0deg）

在右侧的控制面板顶部的“Traces”区域内，选中“ff_3D”，单击鼠标右键，选择“Rename”选项，更名为“ff_3D_Mode1”；再单击鼠标右键，选择“Duplicate trace”选项，把新生成的Trace更名为“ff_3D_Mode5”，把“Mode index”设置为5，显示如图10-96所示。

图10-96 CMA分析得到的模式1和模式5在Phi=0deg时的平面的远场曲线

在控制面板顶部的“Traces”区域内，同时选中“ff_3D_CMA_Mode1”和“ff_3D_CMA_Mode5”，勾选“Normalise”复选框。

在“Traces”区域内，选中“ff_3D_CMA_Mode1”，单击鼠标右键，选择“Duplicate trace”选项，把新生成的Trace更名为“ff_3D_CMA_Mode1_ExciteMode1”，同时在“Source”区域内点选“Excite_Mode_1”，如图10-97所示。

图10-97 添加激励激发模式1的结果

在“Traces”区域内，选中“ff_3D_CMA_Mode1_ExciteMode1”，单击鼠标右键，选择“Duplicate trace”选项，把新生成的Trace更名为“ff_3D_CMA_Mode1_ExciteMode5”，同时在“Source”区域内点选“Excite_Mode_5”，结果如图10-98所示。

图10-98 添加激励激发模式5的结果

在“Home”菜单中，单击“Save Project”按钮，保存结果文件。

从以上分析结果可知，采用特征模分析与添加激励组合激发模式1和模式5两种方式得到的电流分布和远场分布规律是一致的。通过特征模分析，可以清楚地了解不同模式的电性能，通过各种模式电流的分布特征，确定如何激发出相应的模式。