微带天线单元建模与辐射

一、模型描述

天线模型描述：

天线形式为：矩形贴片天线

馈电方式是：针馈+电压源激励

 

计算项目：

计算天线单元的辐射，分别采用FDTD和MoM求解器

二、主要流程：

启动CadFEKO，新建一个工程：Microstrip_MoM_3.0GHz.cfx，在以下的各个操作过程中，可以即时保存做个的任何修正。

2.1：定义长度单位：默认为m

点击菜单“Home”中的图标按钮“Model unit”，在“Model unit”对话框中，选择mm；

 

 

2.2：定义变量：

在CadFEKO中左侧的树型浏览器中双击“Variables”节点，依次定义如下变量：

最小工作频率：fmin=2.7e9

最大工作频率：fmax=3.3e9

工作频率：freq=3e9

工作波长：lam=c0/freq/0.001

相对介电常数：epsr=2.2

天线贴片宽边长度：lenY=46.648

天线贴片窄边长度：lenX=31.1807

介质基板宽边长度：sub_LenY=80

介质基板窄边长度：sub_LenX=50

介质基板厚度：sub_H=2.87

馈电偏移位置：offsetX=8.9

贴片边沿网格剖分规则：mesh_shell=1.5

2.3：定义材料：

在CadFEKO中左侧的树型浏览器中选中“Media”节点，点击鼠标右键，选择“Dielectric”，在弹出的“Dielectric medium properties”对话框中，定义相对介电常数（Relative permittivity）和介质损耗正切值（Dielectric loss tangent），名称定义为“substrate”：

 

2.4：模型建立：

天线模型建立：点击菜单“Construct”，选择“Rectangle”，弹出“Create Rectangle”对话框：

Definition methods: Base centre, width, depth

Base centre (C)：U:0.0, V: 0.0, N: 0.0

Width (W): lenX

Depth (D): lenY

Label: patch

点击 “Add”

Width(W): lenX*0.9

Depth(D): lenY*0.95

Label: patch2

点击“Create”

 

在菜单“Construct”中，选择“Cuboid”，弹出“Create cuboid”对话框：

 

Definition methods: Base centre, width, depth，height

Base centre (C)：U:0.0, V: 0.0, N: -sub_H

Width(W) : sub_LenX

Depth(D): sub_LenY

Height (H): sub_H

Label: substrate

点击“Create”按钮

在菜单“Construct”中，选择“Line”，弹出“Create Line”对话框：

Start Point: U: -offsetX  V: 0.0, N: -sub_H

End point: U: -offsetX, V: 0.0, N: 0.0

Label: feed_Pin

点击“Create”按钮

 

天线模型材料设置：在左侧树型浏览器的“Geometry”中，选中patch，在详细树型浏览器中，展开其“faces”，选择“Face1”，点击鼠标右键选择“Properties”，在弹出的“Face properties”对话框中，设置Medium为“Perfect electric conductor ”，点击“ok”；同样的方法设置模型patch2；

 

在左侧树型浏览器的“Geometry”中，选中substrate，在详细树型浏览器中，展开其“Regions”，选择“Region??”，点击鼠标右键选择“Properties”，在弹出的“Region properties”对话框中，设置Medium为“substrate”，点击“ok”；

 

在3D视图中，选择介质体的底部平面，点击鼠标右键，选择“Properties”，在弹出的“Face properties”对话框中，设置Medium为“Perfect electric conductor ”，点击“ok”；

2.5：天线端口设置：

在左侧树型浏览器的“Model->Geometry”中选择“feedPin”，在其“details”树浏览器中展开“Wires”节点，选择“Wire1”，点击鼠标右键选择“Create port->Wire port”，在弹出的对话框“Create wire port”中，把“Location on wire”设置为“Start”，Label：Port1，点击“Create”。

 

在树型浏览器中，进入“Model->Geometry”，选择所有的模型，点击鼠标右键，选择“Apply->Union”，把新生成的模型更名为“microstrip”。

2.6：电参数与求解设置：

在左侧树型浏览器中，由“Construct”切换到“Configuration”：

工作频率设置：展开“Global”，双击“Frequency”，弹出“Solution frequency”对话框：

选择：Single frequency;

Frequency (Hz): freq

点击OK

激励设置：在“Global”中，选中“Sources”点击鼠标右键选择“Voltage Source”，弹出“Add voltage source”对话框，采用默认设置，点击“Create”。

 

辐射远场设置：在“Configuration specific”中，选中“Requests”点击鼠标右键选择“Far fields”，弹出“Request far fields”对话框：

 

点击“3D pattern”，修正步长“Increment”中Theta的值为2，Label：ff3D，点击Add；

点击“Vertical cut (UN plane)”按钮，修正步长“Increment”中Theta的值为1，label：ffXOZ，点击“Create”。

 

2.7：网格划分：

在3D视图中，选中贴片的边缘面，点击鼠标右键，选择“Properties”，在弹出的“Face properties”对话框中，进入“Face properties”对话框：

勾选：Local mesh size

设置Mesh size: mesh_shell;

点击“ok”；

 

点击菜单“Mesh->Create mesh”弹出“Create mesh”对话框，设置如下：

网格剖分方法Mesh size : fine

线段剖分单元半径：Wire segment radius: 0.25

点击：Mesh 生成网格。

 

进入菜单“Solve/Run”，点击“FEKO Solver”，提交计算。

2.8：后处理显示结果：

计算完成之后，点击“Solve/Run”菜单中的“PostFEKO”，启动后处理模块PostFEKO显示结果。

在PostFEKO中，启动之后默认显示是3D视图方式，点击“Far Field”按钮选择“ff3D”显示3D辐射方向图，在右侧面板中，勾选dB。

 

显示2D结果：点击“Home”菜单中的“Polar”，进入直角坐标系，点击“Far field”按钮选择“ffXOZ”，在右侧面板中，勾选dB。

 

显示2D结果：点击“Home”菜单中的“Cartesian”，进入直角坐标系，点击“Source data”按钮，在右侧控制面板中，把“Quantity”修正为“Impedance”，点击“Real”。选中右侧控制面板中的source，点击键盘ctrl+K，复制该曲线为source_1，把“Impedance”参数设定为Imaginary。

进入“Measure”菜单，点击“Cursors”，显示3.0GHz时，天线的输入阻抗实部和虚部值。

 

可以发现：3.0GHz时，该微带天线单元的阻抗实部为40.5 ohm，虚部为3.55 ohm。

不要关闭PostFEKO，点击保存。

2.9：采用时域求解器（FDTD）计算：

在CadFEKO中，把“Microstrip_MoM_3.0GHz.cfx”另存为“Microstrip_FDTD.cfx”。

进入“Solve/Run”菜单，点击“Solver Setting”，弹出“Solver Settings”对话框，进入“FDTD”标签，勾选：Activate the finite difference time domain (FDTD) solver。点击“OK”按钮。

 

进入菜单“mesh”，点击“Create mesh”，采用默认设置，点击“mesh”按钮，生成网格。

 

设置扫频计算：

在左侧树型浏览器中，进入“Configuration”，双击“Global”中的“Frequency”节点，弹出“solution frequency”对话框：

扫频方式选择：Linearly spaced discrete points

Start frequency: fmin

End frequency: fmax

Number of frequencies: 7

点击 OK

 

进入“Solve/Run”，点击“FEKO Solver”提交计算。计算完成之后，切换到已经打开的PostFEKO，点击“Home”菜单中的“Cartesian”，进入到已经显示的“Cartesian”直角坐标系中。点击“Home”菜单中的“Add Model”按钮，选择“Microstrip_FDTD.bof”，就可以把时域方法计算的辐射结果读进来，比较3GHz工作时，MoM方法与FDTD方法2D方向图的对比。

 

切换到CadFEKO，确认目前打开的工程文件是“Microstrip_MoM_3.0GHz.cfx”，点击“Alt+3”启动后处理PostFEKO。在默认的3D视图中，点击“Home”菜单中的“Far fields->ff3D”，显示

 

2.7GHz      3.3GHz