天線方向圖近場與遠場轉換方法｜Feko

作者：佳馳科技公司資深電磁研發設計師 李維佳

從測試評估走向設計指導

       我們公司自建了多個大型測試實驗室，包括2.5米和6米靜區尺寸的緊縮場暗室（CATR），並具備 CNAS 認證。同時，我們還搭建了寬頻透波率測試系統、材料耐功率測試系統、三場合一近場天線暗室以及低頻反射率測試系統等，支撐我們在 RF 材料、電磁遮罩和天線系統方面的研發需求。

在這些工程中，我逐漸發現 Feko 軟體在我們工作中可以發揮很多輔助設計和驗證的價值。尤其是在天線測試暗室建置中，我們經常面臨一個問題：

       『如何通過模擬預評估測試環境，判斷近場掃描方式是否適合不同類型天線的測量，並預測轉換出來的遠場方向圖是否準確。』

       Feko 提供的近遠場轉換功能在這方面就非常實用，它內置了平面、柱面、球面三種近場轉換演算法，可以説明我們提前評估不同測試方式的可行性。

       舉個例子，我們從最常見的喇叭天線開始做驗證，導入標準模型後模擬出遠場方向圖，再設置一個平面掃描面，用近場轉換出遠場結果做對比。一開始由於採樣間距過大，轉換出來的方向圖與直接模擬結果差異明顯，尤其主瓣形狀畸變嚴重。後來我們根據標準調整了採樣參數——近場距離保持在3至5倍波長之間，掃描間距小於1/2波長，反演結果就與遠場模擬高度吻合了。
 

       但平面近場存在一個天然的限制，那就是無法獲取後向輻射資訊。我們觀察到反演結果在後向出現較強凋零，因此推斷它更適用于高增益天線和對主瓣分析要求較高的應用場景。為了進一步驗證，我們嘗試模擬一個線性槽縫陣列天線（Linear Slot Antenna Array）模型，並觀察在不同指向角度（例如±40度、±50度、±60度）下的轉換效果。實驗發現，當掃描面大小不足時，反演結果的邊緣角會出現明顯畸變，導致方向圖一側“發胖”一側“變瘦”，這是由於傅裡葉展開的邊界效應引起的。將面加寬之後，方向圖的主瓣形態明顯改善，在±50度範圍內保持了良好的準確性。

       接著我們嘗試使用柱面近場進行模擬轉換。相比平面場，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、基地台天線等具有環繞輻射需求的應用。我們設置了一個±45度掃描角度，發現模擬結果在主瓣和部分副瓣區域都與預期非常吻合。需要注意的是，在使用柱面和球面轉換時，Feko 要求載入電場和磁場聯合資料，而不僅僅是電場，因此前處理設置必須匹配正確。
 

通過這類模擬，我們獲得了一個比較清晰的認知

平面近場：
       適用于高增益天線及相控陣設計，推薦角域在±30~50度內，關注採樣密度與掃描區域匹配。

柱面近場：
       適合線陣類或寬波束扇形天線，反演範圍更廣，精度更穩定。

球面近場：
適用于全向或複雜形態天線，能提供全形域反演。


       在佳馳科技的實際專案中 Feko 不僅為天線測試提供了一種高效的模擬驗證手段，也幫助我們在測試方案選型、天線結構優化、暗室建設參數規劃等方面具備了更清晰的依據。模擬從設計中前置地介入到測試驗證環節，這種跨流程協同將進一步推動我們產品開發的精度和效率。

 

資料提供 : Altair