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佳馳科技公司資深電磁研發(fā)設(shè)計(jì)師 李維佳《基于 Feko 的天線方向圖近遠(yuǎn)場(chǎng)反演方法》演講

仿真如何輔助天線測(cè)試系統(tǒng)評(píng)估？

在電磁輻射控制與天線測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，如何利用仿真技術(shù)進(jìn)行預(yù)判和優(yōu)化，已成為工程實(shí)踐中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。來自成都佳馳科技的李維佳先生，結(jié)合公司在近場(chǎng)天線暗室建設(shè)及材料測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，分享了 Feko 軟件在天線近遠(yuǎn)場(chǎng)反演中的具體實(shí)踐，為“設(shè)計(jì)+測(cè)試”一體化工作模式帶來全新視角。

從測(cè)試評(píng)估走向設(shè)計(jì)指導(dǎo)

我們公司自建了多個(gè)大型測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，包括2.5米和6米靜區(qū)的緊縮場(chǎng)暗室，并具備 CNAS 資質(zhì)。同時(shí)，我們還搭建了寬頻透波率測(cè)試系統(tǒng)、材料耐功率測(cè)試系統(tǒng)、三場(chǎng)合一近場(chǎng)天線暗室以及低頻反射率測(cè)試系統(tǒng)等，支撐我們?cè)谏漕l材料、電磁屏蔽和天線系統(tǒng)方面的研發(fā)需求。

在這些工程中，我逐漸發(fā)現(xiàn) Feko 軟件在我們工作中可以發(fā)揮很多輔助設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的價(jià)值。尤其是在天線測(cè)試暗室建設(shè)中，我們經(jīng)常面臨一個(gè)問題：如何通過仿真預(yù)評(píng)估測(cè)試環(huán)境，判斷近場(chǎng)掃描方式是否適合不同類型天線的測(cè)量，并預(yù)測(cè)反演出來的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖是否準(zhǔn)確。Feko 提供的近遠(yuǎn)場(chǎng)反演功能在這方面就非常實(shí)用，它內(nèi)置了平面、柱面、球面三種近場(chǎng)反演算法，可以幫助我們提前評(píng)估不同測(cè)試方式的可行性。

舉個(gè)例子，我們從最常見的喇叭天線開始做驗(yàn)證，導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)模型后仿真出遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，再設(shè)置一個(gè)平面掃描面，用近場(chǎng)反演出遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)果做對(duì)比。一開始由于采樣間距過大，反演出來的方向圖與直接仿真結(jié)果差異明顯，尤其主瓣形狀畸變嚴(yán)重。后來我們根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整了采樣參數(shù)——近場(chǎng)距離保持在3至5倍波長(zhǎng)之間，掃描間距小于1/2波長(zhǎng)，反演結(jié)果就與遠(yuǎn)場(chǎng)仿真高度吻合了。

但平面近場(chǎng)存在一個(gè)天然的限制，那就是無法獲取后向輻射信息。我們觀察到反演結(jié)果在后向出現(xiàn)較強(qiáng)凋零，因此推斷它更適用于高增益天線和對(duì)主瓣分析要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。為了進(jìn)一步驗(yàn)證，我們嘗試仿真一個(gè)線陣槽縫天線模型，并觀察在不同指向角度（例如±40度、±50度、±60度）下的反演效果。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)掃描面大小不足時(shí)，反演結(jié)果的邊緣角會(huì)出現(xiàn)明顯畸變，導(dǎo)致方向圖一側(cè)“發(fā)胖”一側(cè)“變瘦”，這是由于傅里葉展開的邊界效應(yīng)引起的。將面加寬之后，方向圖的主瓣形態(tài)明顯改善，在±50度范圍內(nèi)保持了良好的準(zhǔn)確性。

接著我們嘗試使用柱面近場(chǎng)進(jìn)行仿真反演。相比平面場(chǎng)，它能更好地還原低增益天線的完整輻射特性，特別適合陣列天線、基站天線等具有環(huán)繞輻射需求的應(yīng)用。我們?cè)O(shè)置了一個(gè)±45度掃描角度，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果在主瓣和部分副瓣區(qū)域都與預(yù)期非常吻合。需要注意的是，在使用柱面和球面反演時(shí)，F(xiàn)eko 要求加載電場(chǎng)和磁場(chǎng)聯(lián)合數(shù)據(jù)，而不僅僅是電場(chǎng)，因此前處理設(shè)置必須匹配正確。

通過這類仿真，我們獲得了一個(gè)比較清晰的認(rèn)知：

平面近場(chǎng)：適用于高增益天線及相控陣設(shè)計(jì)，推薦角域在±30~50度內(nèi)，關(guān)注采樣密度與掃描區(qū)域匹配。

柱面近場(chǎng)：適合線陣類或?qū)挷ㄊ刃翁炀€，反演范圍更廣，精度更穩(wěn)定。

球面近場(chǎng)：適用于全向或復(fù)雜形態(tài)天線，能提供全角域反演。

在佳馳科技的實(shí)際項(xiàng)目中 Feko 不僅為天線測(cè)試提供了一種高效的仿真驗(yàn)證手段，也幫助我們?cè)跍y(cè)試方案選型、天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化、暗室建設(shè)參數(shù)規(guī)劃等方面具備了更清晰的依據(jù)。仿真從設(shè)計(jì)中前置地介入到測(cè)試驗(yàn)證環(huán)節(jié)，這種跨流程協(xié)同將進(jìn)一步推動(dòng)我們產(chǎn)品開發(fā)的精度和效率。

工程創(chuàng)新不止于設(shè)計(jì)，更關(guān)乎實(shí)踐落地

成都佳馳科技在天線、電磁材料、暗室系統(tǒng)領(lǐng)域持續(xù)深耕，其 Feko 應(yīng)用實(shí)踐展示了企業(yè)在高頻測(cè)試與仿真一體化道路上的探索與突破。未來，隨著高頻通信、智能駕駛等技術(shù)落地，對(duì)“設(shè)計(jì)-測(cè)試-仿真”的融合協(xié)同也將提出更高要求，而這正是 Altair 與眾多行業(yè)伙伴共同努力的方向。

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