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天线仿真中的关键问题
2014-3-28

4.1. 线天线
    线天线在结构上具有大的纵横比,这对于基于微分方法的有限元、时域有限差分等方法而言,由于精确分析中网格划分时必须考虑细线,从而导致网格数量较大,求解实现起来比较困难,但对于矩量法则可以进行快速而精确地处理:矩量法只要求对线段进行网格划分,然后就可以采用线型基函数进行精确分析。因此,基于矩量法的ANSYS FEKO应用于线天线分析时,几何建模和计算设置都很简单,计算速度快、求解精度高,因此在各种类型的线天线分析中都得到了成功的应用。 

                   
4.2. 微带天线
    微带天线具有薄形贴片与接地面,有些情况下还采用多层介质基片,由于网格划分等因素,这些结构对于基于体积剖分的方法是一种比较难以精确处理的结构。ANSYS FEKO采用多层平面格林函数分析微带天线,其优点在于建模简单、分析精确、快速,而且很容易考虑多层介质基片,贴片与接地板的有限厚度,以及有限大地板等因素的影响等等。

                

                       

4.3. 环境影响
    天线设计者通常都是按照天线工作在自由空间情形下来设计天线的,但实际上天线总是放置在一个特定的环境中,安装在一定的载体上,环境与载体不可避免地会对天线的工作性能有所影响,有时候甚至影响很大,影响天线的正常运行。如果在天线设计时就考虑天线实际的工作环境,那么设计者就可以设计出性能更加优异的天线。另一方面,分析天线在不同架设情况下环境对天线辐射性能的影响还可以指导工程师优化天线的安装配置,使得环境对天线的工作性能影响最小。 

                  

    但这种要求普通分析软件通常无法满足,这是因为环境中物体的电尺寸往往非常巨大,例如移动通信基站中的建筑物等等。同其他电大尺寸问题的处理方法一样,FEKO采取矩量法与高频分析方法相结合的分析方法可以快速而精确分析这类问题。
    另外,很多天线都是架设在地面附近,因此必须考虑地面对天线辐射性能的影响。ANSYS FEKO中有两种方法可以用来精确分析地面对天线辐射性能的影响,一种方法是反射系数法,另一种方法是格林函数法。 


                      

                     

                       
                                                         图8-4-11

4.4.天线电磁兼容问题
    天线在工作中总是不断地往外界辐射能量,它的辐射一方面可能会对安放在其周围的设备带来破坏性的影响,另一方面也可能会对位于其周围的生物体带去伤害。利用FEKO可以分析天线对其周围设备的耦合影响,还可以分析天线辐射对生物体损伤程度,如生物体的SAR分析。 

                                
4.5天线布局
    天线通常是安装在一定载体上的,这些载体往往会影响天线在理想的“自由空间”辐射特性;另一方面,在飞机、舰船等大系统中往往需要安装很多副天线,天线之间不可避免地会相互影响,工程人员面临的挑战是如何确定平台对天线辐射特性的影响,以及在大平台上如何布置天线,才使得天线之间的耦合影响最小。对安装在非常大尺寸平台上的天线进行测量往往是不实际的,因此求助于计算机仿真分析方法。对于电小尺寸载体上的天线布局问题,FEKO中采取矩量法进行分析;对于电大尺寸载体(如飞机、舰船、卫星等)上的天线布局问题,FEKO中可以采用多层快速多极子方法或矩量法与高频方法的混合方法进行高效、精确地分析。

                   
                                                         图8-4-14 机载天线仿真 

                

                     


4.6.天线的集总参数加载、分布参数加载
    在天线设计中,为了改善某些天线的性能,在天线上加载了一些电阻、电容、电感等集总或分布元件。ANSYS FEKO中可以在天线分析时设置这些元件,从而分析加载后天线的性能。

                  
                                                                    图8-4-17

4.7.介质涂覆对天线性能的影响
    裸露在空中的天线,在雨雪天气中会被罩上一层水或冰;另一方面,为了保护天线,可能会在天线上涂覆一层薄薄的介质保护层,FEKO中可以分析这类介质涂覆问题,从而分析涂覆介质对天线性能的影响,对天线进行优化设计。

                                        

                        
4.8.天线的宽频带响应
    天线带宽是天线设计中必须考虑的一个重要参数。虽然可以在感兴趣的频带范围内通过等间距离散频率采样分析,获得天线的宽频响应,但如果想得到精确的响应曲线,这种方法要求频带范围内的采样间隔很小,从而需要较大的计算量。ANSYS FEKO采取自适应频率采样分析方法,自动跟踪响应曲线的变化,在变化平缓的地方采用较大的采样步长,在响应曲线变化剧烈的地方采用较小的采样步长,从而在关心的频带内只需要分析较少频率采样点,就可以获得宽带范围内系统性能变化的精确结果。

                   

 

                    

 

                              

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