Antenna Design Solution 完备的天线电磁仿真解决方案

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Antenna Design Solution
——完备的天线电磁仿真解决方案
Antenna Design Solution





Antenna Design Solution
——完备的天线电磁仿真解决方案
Antenna Design Solution
——完备的天线电磁仿真解决方案
天线设计就是借助于仿真、测试等手段设计出能够满足工程要求（即满足技术指标）的天线，其典型的设计过程可分为选型设计、详细设计、样机测试、产品定型和生产等五个阶段。
在典型的天线设计五阶段过程中，桔红色部分描述了天线的选型设计阶段，包含：天线类型选择、天线性能初步分析验证、天线初步设计及模型确认。绿色部分描述了天线详细设计阶段，包含：对天线初步模型进行优化分析评估，得到可用于样机生产的天线模型。
如果在天线设计的选型和详细设计两个阶段能够有效的借助于电磁场仿真技术，会大大缩短天线产品研发周期，帮助企业节省大量的人力、物力和财力。为此，安世亚太提供了完整的天线设计仿真解决方案，为天线选型设计和详细设计提供强大的电磁仿真工具：
● 快速天线设计工具—— Antenna Magus
● 基于矩量法的三维电磁场分析软件——FEKO

完整的天线设计、生产流程 … …
完整的天线设计、生产流程

Antenna Magus和FEKO两款天线设计软件在“完整的天线设计、生产流程”中所处的位置对比可见，Antenna Magus全部替代桔红色设计部分，完成由性能指标生成天线初步模型，FEKO软件全部替代绿色循环框图部分，在天线初步模型的基础上通过优化实现天线性能的最佳。
同时，安世亚太集成了包含基站天线模型库及建筑物模型的IXUS软件，为移动通信中基站天线的辐射安全分析与管理提供了有效的分析手段。
应用Antenna Magus + FEKO后的天线设计流程
■ 飞机天线布局案例
Antenna Magus + FEKO在天线设计过程中的重要性如图所示：




FEKO完成三角形贴片天线在飞机上的布局
  FEKO完成三角形贴片天线的改型
FEKO中完成飞机单极子天线与三角形贴片天线之间的隔离度分析
Antenna Magus完成天线的选型及性能评估

快速天线设计工具——Antenna Magus

Antenna Magus是全球第一款天线设计工具包，拥有查找和设计丰富天线种类（上百种天线）的大型天线数据库，并能够将设计所得到的天线模型无缝输出到三维高频电磁场分析软件FEKO（输出模型中包含激励、求解控制等设置，并且是全参数化模型）。
Antenna Magus定位于天线设计，对于给定的技术指标要求，它能够大大缩短得到适合天线的设计周期，并提供适合于FEKO分析的仿真模型，无论对天线设计工程师，还是对涉及天线问题的电磁兼容工程师、天线罩设计师和天线布局研究的系统工程师等，都能够提供强有力的帮助。
Antenna Design Solution

■ 特色功能
● 天线查找——不断更新的天线数据库
● 天线设计及性能评估——天线参数快速计算
● 输出“ready to run”FEKO 全参数模型
■ 宽带螺旋天线设计案例
● 步骤一：确定设计要求: 设计螺旋天线，在保证增益、带宽的同时，改进VSWR及轴比
● 步骤二：Antenna Magus中完成螺旋天线的快速设计
● 步骤三：FEKO中对该螺旋天线进行优化改型


输入Helix关键词搜索
在FEKO中利用Loft、Taper及组合处理对该螺旋天线的增益、轴比及驻波比进行了优化
由天线技术指标生成天线几何模型
■ 舰船天线布局分析案例
● 步骤一：设计要求: 出于舰-舰通信的考虑，设计宽带VHF天线，总体设计人员会考虑以下基本要求：
- 工作频段150MHz~350MHz，中心频率250MHz，带宽为中心频率的80%
- 考虑到低风阻以及在海洋这种严苛环境下天线维护等因素，选择线天线
- 重点考虑水平面内的通信，对俯仰面内的增益大小无要求
- 天线放置在后部船楼较低横桅的左舷侧
● 步骤二：Antenna Magus中完成盘锥天线(discone)的快速设计


天线性能评估
天线基本信息浏览
天线设计
天线关键词查询
● 步骤三：FEKO中完成对舰船天线布局的分析

舰载环境下天线辐射增益方向图分析
FEKO中自由空间天线性能精确分析及验证

天线在舰载平台上的位置示意图及多天线之间的耦合分析

三维高频电磁场分析软件——FEKO
■ 天线分析与设计对电磁仿真软件的要求
工程上所使用的天线，从结构角度看，有线天线、面天线、微带天线与阵列天线等；从天线电尺寸角度看，包含了从不到一个波长到上千个波长的很大范围；此外，由于天线都要安装在一定的载体上或放置在一定的环境中，天线设计时必须要考虑载体与环境对天线辐射特性的影响；当多部天线放置在同一载体上时，还要考虑天线之间的耦合，进行优化布局，因此，综合以上各种因素，在基于仿真技术的现代天线设计中，要求用于辅助设计的电磁仿真软件必须具有：
● 能够分析任意三维结构体；
● 具备电小、电大尺寸天线的分析能力，尤其是电大尺寸问题的分析；
● 支持多种激励方式（波导激励、线电压源激励、同轴线激励、微带线等）；
● 能够分析各种电性能参数：辐射方向图、方向性系数、天线效率、输入阻抗、驻波比、极化及带宽等；
● 能够考虑载体与环境对天线辐射性能的影响；
● 能够对天线布局进行优化分析；
● 天线罩的透波特性。
FEKO软件是针对天线设计、天线布局、电磁散射与电磁兼容等问题开发的专业高频电磁场分析软件，能够满足上面提到的各种需求，FEKO软件基于矩量法（MoM），拥有高效的多层快速多极子技术(MLFMM)及实现各种算法的高效并行，并将矩量法与高频分析方法(如物理光学PO、几何光学GO、一致性绕射理论UTD等)完美结合，从而非常适合于各种形式、各种规模(电小、电大等)的天线设计：对于电小结构的天线，可以采用矩量法；对于具有电小与电大尺寸混合结构的天线，可以采用多层快速多极子法或混合法。此外，FEKO软件还混合了有限元法（FEM），能够精确地处理具有复杂介质的天线问题。

■ 优势及特色
● 具备电大尺寸问题的求解能力
电大尺寸的天线设计、天线布局等问题对天线、系统设计师极具挑战，FEKO软件在电大尺寸问题的求解方面能力突出、优势明显，这体现在：
- 多层快速多极子法（MLFMM）：
假定N为未知量的数目，矩量法所需的内存规模是N*N，CPU运行时间是N*N*N；而多层快速多极子法内存需求量是N*log（N），CPU运行时间是N*log（N）*log（N），同时多层快速多极子法具有与矩量法相同的精度。可见，多层快速多极子法在不降低精度的情况下，可极大地节省内存，加快矩阵与矢量相乘的速度，很适合于处理电大尺寸问题。

舰船VHF天线布局表面电流分布
对于电大问题MLFMM需要更少的内存
- 物理光学法、几何光学法（矩量法+物理光学、矩量法+几何光学混合法）：
对于电大尺寸结构，如反射面天线的反射面、机载天线的机身、舰载天线的舰体，以及星载天线的星体等，FEKO可以采用物理光学法进行分析，天线部分采用矩量法。FEKO中对物理光学进行了改进，如边缘修正、尖劈修正,以及计入爬行波影响等，保证了物理光学计算结果的良好精度。


计算区域分解图示
卡塞格伦天线
- 一致性绕射理论（矩量法+一致性绕射混合法）：
一致性绕射理论不需要对几何结构进行网格划分，几何结构的尺寸并不影响内存的需求，影响内存需求和计算量的是反射点、边和角的绕射数目，因此它可以用来分析电尺寸特别巨大的电磁问题。

计算区域分解
UTD法在船舶天线布局中的应用
卫星的多边形平板模型
UTD法在卫星天线布局中的应用
● 近、远场等效天线辐射源法
FEKO软件提供了有效的近场（口径场、辐射近场等）和远场（辐射远场）等效法来等效天线的辐射场。在大型反射面天线（如卡塞格伦天线、双曲反射面、偏置反射面天线等）、天线布局等工程问题中是一种极为有效的可以降低计算复杂度的方法。以普通的反射面天线为例来说明近、远场等效辐射源法的仿真思路：第一步对单个馈源喇叭天线分析，建立六边形、球面或柱面的近场包络计算区域，定义整个空间的远场计算区域，得到近场的计算数据文件（存储为.efe, .hfe）和远场的计算数据文件（存储为.ffe或.sph）；第二步建立近场辐射等效源和反射面天线的工程文件；第三步建立远场辐射等效源和反射面天线的工程文件。其中第二、三步中的反射面多采用多层快速多极子法MLFMM或物理光学法（PO法）或几何光学法（GO）或一致性绕射法（UTD）。

第一步:馈源天线 仿真 第二步:等效源+反射面  仿真计算结果及对比
● 非辐射网络(Non-Radiation Network)与天线的联合仿真
天线作为发射和接收单元是电磁波传播过程的重要组成部分，其他如发射机的发射电路和接收机的接收电路（如RF放大器、混频器、带通滤波器、IF放大器、解调器等）等不参与系统电磁波的辐射或接收，或者说其辐射或接收贡献可以忽略不计。为减少计算复杂度，可以把问题分解成辐射单元的分析和非辐射电路的分析两部分：非辐射电路部分如果是包含非线性器件（如放大器、混频器等）可以采用ADS、Microwave Of.ce等射频电路分析软件来分析；如果是由线性器件组成的无源电路（如匹配电路、滤波器等），可直接由FEKO分析，得到电路的S、Z、Y参数文件，在FEKO中可以直接读取参数文件，把非辐射路网络和辐射单元联合起来进行总体分析。对于包含复杂和差器的波导裂缝阵列天线，同样可以采用该方法。

非辐射电路网络+螺旋天线的图示分解及联合仿真
天线非辐射网络的功能框图分解及各部分电路模型
● 电、磁对称及周期边界（PBC）条件
在天线的仿真分析中，如果能够根据电磁场的分布特点有效地利用电对称、磁对称和周期边界条件，将会极大地降低计算的复杂度，节约计算内存，提高计算速度。

电、磁对称法在矩形喇叭天线中的应用
利用周期边界条件分析有限大带金属反射板的偶极子贴片天线
■ 天线分析案例
● 线天线(Wire Antenna)
线天线在结构上具有大的纵横比，这对于基于微分方法（如有限元、时域有限差分等）而言，网格划分时必须考虑细线的半径，从而导致网格数量较大，求解实现起来非常困难，但FEKO中矩量法可以采用线型基函数就可以对线模型进行快速而精确地处理、求解。FEKO在各种类型的线天线分析中都得到了成功的应用。

UHF 天线
对数周期天线
螺旋Helix 天线
蝙蝠翼Batwing天线
● 喇叭、反射面天线(Re.ector)
反射面天线作为一类工程上常用的高增益、强定向性的大家族天线类型，常见的天线包括：抛物面天线、双曲反射面天线、卡塞格伦天线、偏置天线等，馈源喇叭天线作为反射面天线的心脏，它的性能也直接影响天线总体性能。


波纹喇叭天线
偏置反射面天线
四脊双极化喇叭天线
● 贴片、微带天线(Patch、Microstrip Antenna)
贴片、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剖分的方法是一种比较难以精确处理的结构。FEKO采用多层平面格林函数来分析贴片、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。另外，采用FEKO提供的MoM/FEM混合方法，可以用FEM处理介质部分，而MoM处理其余部分，从而得到快速精确的结果，该方法有利于处理复杂介质的微带天线问题。

测量结果
矩形贴片天线
威尔第(Vivaldi)微带天线
沉积在感性阻抗面(RIS)上的贴片天线
FEKO计算结果

● 阵列天线(Array Antenna)
阵列天线一般由多个天线单元(线、喇叭、波导裂缝、微带等)组成，每个单元都单独激励，而激励振幅与相位也可能不同，因此要求分析软件能满足相应的多个激励源设置功能。在FEKO中允许同时设置多个相同类型或不同类型的激励源，而且每个激励源的振幅和相位都可以单独设置，从而在分析各类阵列天线以及相控阵天线时，使用起来十分方便。
和差器
大型波导裂缝天线阵列
贴片、微带天线阵列
● 超宽频带天线(UWB Antenna)
宽频带天线的主要电特性（如增益、方向图、输入阻抗等）在一个较宽的频段内保持不变或变化较小，常见的宽频带天线有平面等角螺旋天线、圆锥对数螺旋天线、多臂正弦天线等。


UWB微带贴片天线
平面螺旋天线
双臂正弦天线
● 车窗天线（Windscreen Antennas）
FEKO基于矩量法开发了针对车窗天线的分析技术。该方法：1. 精确考虑多层玻璃结构；2. 精确计算天线单元耦合；3. 精确计算车窗玻璃、天线与整车电磁耦合；4. 支持天线的弯曲和旋转。下图是奥迪AU484车窗天线的分析：

AU484汽车及车窗天线模型     
AU484车窗天线(WindScreen)反射系数
车窗天线(WindScreen)辐射及表面电流分布
● 天线+天线罩(Radome)
为了保护天线全天候工作、提高空气动力学性能、减小通带外的RCS，多数天线都配有天线罩，理想天线罩应该对电磁波完全透明，但实际天线罩对天线的增益和方向图、场分布及相位、功率传输效率等都有很大影响，必须在设计之初进行仿真分析。FEKO的多层快速多级子、矩量法+有限元、矩量法+几何光学法等非常适合处理天线罩问题。

波导裂缝阵列天线+天线罩透波特性
● 天线布局(Antenna Placement)
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、船舶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常常是不实际的，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、船舶、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。


某型客机天线布局表面电流分布
Iridium星载微带天线阵分析
船舶天线布局分析
某型直升机天线布局表面电流分布

基站天线辐射安全分析与管理工具——IXUS
电磁辐射安全已经日益受到关注。1998年国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）发布了关于人体曝露在电磁环境中的安全限值的导则。该导则已经成为EMF安全的准国际标准。世界卫生组织（WHO）已经认可并接受ICNIRP导则，向各国推荐使用。
IXUS软件专门针对移动通信基站的电磁安全分析与管理，可以方便建立3D基站模型、直接添加各类基站天线。使用IXUS能够进行快速EMF安全导则（ICNIRP、IEEE或自定义）的符合性分析，快速直观地对移动基站EMF安全性进行管理。
IXUS提供全面的通信基站数据库，存储各基站信息、基站安装位置信息、电磁辐射安全信息等。IXUS能够自动生成安全评估报告以及安全认证报告。

■ 特色功能
● 快速获取基站电磁辐射安全标准（ICNIRP、IEEE、或自定义的标准）符合性
● 直观显示基站电磁辐射安全非许可区域
● 自动生成基站电磁符合性分析报告
● IXUS基站数据库能方便管理和监视整个通讯网络基站的电磁辐射安全情况
■ 客户化定制
● IXUS为所有的移动通信基站建立数据库，多位用户可同时运行IXUS管理各区域基站
● 基站天线数据可以来自于FEKO软件的仿真数据
● IXUS支持在现有基站数据库中建立管理系统，使IXUS与用户现有管理系统完美结合
● IXUS可根据用户需求，对ICNIRP之外的其他EMF导则（比如IEEE）进行符合性分析管理，为用户提供定制化服务
■ 功能模块
IXUS软件提供IXUS 3D Modeller和IXUS Manager两个主要模块。
● IXUS 3D Modeller
- 轻松、快速建立基站天线和建筑物的模型
- IXUS EMF计算器快速计算出满足ICNIRP导则的公共人员、职业人员所能触及的区域
● IXUS Manager
- 生成用户定制化报告和认证（Environment Reports、Site Management Report、Compliance Certi.cate）
- 存储和共享基站信息和文献