Folded Dipole天线的FEKO仿真与优化

Folded Dipole天线的FEKO仿真与优化
赵工
（深圳518001）
摘要：使用FEKO7.0对常见的线天线--折合振子（Folded Dipole）进行仿真，使用优化功能得到特定频率的天线缩短因子。

关键字：FEKO折合振子线天线缩短因子优化
Simulation And Optimization Of Folded Dipole
Antenna
Abstract：Folded dipole antenna is a normally used wire antenna,especially in television receiver.Simulated a folded dipole and optimized the shorted factor in a setting frequency.
Key Words:FEKO,folded dipole,wire antenna,shorted factor,optimization
1.概述：
折合振子天线（Folded Dipole Antenna）是一种常见的线天线类型，过去常用于电视接收中，用阻抗300欧姆的平行双线馈电。

因为阻抗较高，更常见是作为八木天线的有源振子。

折合振子可以看做是两个相距很近的半波对称阵子天线终端短接而形成，等效为平行排列的二元对称阵子天线，其输入阻抗是半波对称阵子的4倍，约300欧姆。

对称阵子一般称为半波对称阵子，因为天线臂长接近于其中心频率对应波长的一半，折合振子也是如此。

其实实际的天线臂长比半波长略短，常用缩短因子表示。

2.变量设置：
这里要仿真的是200MHz频率的折合振子天线，对应波长约为1.5m，不需要改变默认的长度单位。

首先点击Constract菜单下的工具Variable添加变量：
主要添加2个变量：lambda和ratio。

设变量lambda为1.5m。

为了表示天线臂长的缩短效应，还设定了一个变量ratio，一个比例系数，用于以后优化得到对应中心频率的天线臂长。

添加变量后，工程树窗口内显示为：
3.创建模型：
折合振子是一个矩形框，这里使用一个折线Polyline和一条直线Line组成。

折线对话框中需要输入各点坐标值，这里输入4个点的坐标值：
这里还使用了另一个变量distance，为折合振子两个长边的间距。

然后再加入1条直线，与折线的两个短边相连以组成一个矩形框：
然后在工程树窗口按Ctrl按键同时选择折线和直线：
然后使用Constract菜单下的Union工具，合并二者，形成一个一体的矩形框：
4.设置激励端口和激励源：
先点击折合振子一条长边，再点击Source/Load菜单下的Wire port工具图标，在长边的中间点设置Wire port。

这时显示窗口中的一条长边中间点出现一个线端口的标识：
使用Source/Load菜单下的Voltage source工具图标为Port1配置电压源激励：
因为折合振子的阻抗约为300欧姆，这里设置端口阻抗为300欧姆。

5.设置仿真频率及网格：
这里设定的折合振子中心频率为200MHz，所以设置仿真频率从100MHz~200MHz：
然后设置网格Mesh，使用Mesh菜单下的工具Create mesh：
在设置界面中选择Fine，Wire segment radius设为0.01：
Mesh建立后，显示窗口会出现一个球体形状：
6.仿真输出设置：
折合振子天线仿真，主要关心其远场的3D方向图，使用Request菜单工具栏中的Far fields 工具来设置：
设置界面为：
还希望直观看到天线臂上电流的分布，使用Request菜单工具栏中的Currents工具来设置：
天线臂电流仿真设置界面为：
当然也很关心馈电点的反射系数S11，但这个参数不需要另外设置，默认设置中已存在。

7.仿真及结果输出：
点击Solve/Run菜单中的FEKO solver工具图标，开始运行仿真：
运行需要一定时间，有时因为一些参数设置不合适会出现警告信息，甚至有错误而终止。

需要根据提示修改相关设置，一般为激励端口设置或网格设置中的问题所造成的。

当仿真完成后，点击POSTFEKO工具，会打开POSTFEKO界面来输出结果。

这里先打开远程的3D图：
首先显示的是Total Gain，从显示窗口右侧的显示面板中设置频率为200MHz：
然后要显示馈电端口的S11，使用二维直角坐标图：
首先会显示一个空白图，需要点击S参数的工具图标：
因为只有一个激励源，下拉列表中只有VoltageSource1，点击后显示图形：
上图是在右侧显示面板中选择反射系数Reflection Coefficient并勾选下面的dB复选框时的显示图形，并使用了Measure菜单下的Reflection bandwidth工具标出了-10dB和-15dB 的反射系数带宽，还使用了Point工具中的Global mininum标识出其中心频率。

可以看出，按半波长设计的折合振子的中心频率为186.4MHz，并不在200MHz上，需要进行优化。

8.天线臂长优化设置：
要使用参数优化，点击CADFEKO的Request菜单中的Add search工具：
打开设置界面，使用default设置：
然后点击Request菜单中的Parameters工具图标：
在前面曾设了一个变量ratio，初始值设为1，就是为了表示天线臂的缩短因子。

现在要优化这个参数，以使天线的中心频率为200MHz。

在打开的对话框中设置变量ratio的优化范围从1~0.8：
然后工程树窗口中出现Optimisation条目，Search1中包括Goals和Parameters两项：
鼠标右击Goals，在弹出的菜单中选择S-matrix goal：
在弹出的优化目标对话框中进行设置：
其中，要在S-parameter label项目中手动输入VoltageSource1，这正是前面仿真天线端口S11曲线时的S参数的label；Quantity下拉列表中选择Reflection coefficient（反射系数），表达式Expression中选择Magnitude（幅度），Operator type下拉列表中选择Minimise（最小化）。

9.优化运行及显示结果：
运行优化，要使用Solve/Run菜单中的OPTFEKO工具图标。

这个图标比较小，在工具栏的靠近右侧的地方：
点击运行，将会报错。

因为在前面的仿真时设置频率从100MHz~300MHz，而在优化时需要设置一个单频点，所以重新设置频率为Single frequency和200e6（即200MHz）：
再次运行OPTFEKO，耐心等待其运行结束：
完成后打开POSTFEKO，在工程树窗口中展开Optimisation条目，其中的Parameters条目下面有ratio项，即为优化时使用的参数：
鼠标点击ratio，将在显示窗口打开参数ratio优化时的曲线：
可以看到，ratio优化结束在18次，曲线后半部分越来越接近0.93。

而Goals条目下的global goal，显示其优化曲线：
当时只设置了一个优化目标，即天线馈电口的反射系数，此曲线显示的即为对应优化次数时的变化曲线，也即对应的ratio优化值的反射系数曲线。

为了读取数值方便，从右侧显示面板输入表达式：
这样，对应的反射系数将以dB显示，曲线为：
可以看到，反射系数优化结果为-30dB，可以满足天线参数的一般设计要求。

10.输入优化值并仿真输出结果：
从优化曲线可以看出，使200MHz频率时天线馈电口处的反射系数最小的ratio值为0.93。

把设置的变量ratio的值改为0.93，还要把仿真频率改回100MHz~300MHz范围，然后运行FEKO solver。

完成后打开POSTFEKO，使用二维直角坐标显示馈电端口VoltageSource1的S 参数：
可以看到，天线的中心频率已在200.1MHz，反射系数为-30.7dB。

如果在右侧的显示面板中勾选Use costom reference impedance，并在Reference impedance中手动输入阻抗值，当为283欧姆时反射系数达到最小，但相应带宽并没有有太大变化：
在仿真设置时曾设有电流仿真，要看图形，先点击3D view工具图标：
然后点击Currents图标：
显示窗口将用颜色显示天线臂上的电流分布情况：
因为更关注中心频率200MHz下的电流分布，所以在右侧的显示面板上把频率设为200MHz。

可以看到，天线臂长边的中心点处的电流最大，而在天线终端短边附近则最小。

前面还设置了天线的远场3D仿真。

POSTFEKO工程树窗口中FarField1项右击鼠标菜单：
选择3D view graph，将在显示窗口显示天线增益的3D图：
上图是在右侧的显示面板中选择中心频率200MHz下的3D图，右侧的为勾选dB选项后得到的，显示的为dBi值。

（以上为本人实际使用时的部分经验，初步使用，很多方面尚不熟悉，欢迎批评指正）
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