在天线建模过程中，为了保持效率和准确性，我们应该从简单的几何形状开始模拟，然后逐渐添加更多复杂的功能。最终的模拟需要包括足够的细节，以准确表达我们的设计，同时删除那些增加计算成本的、不必要的单元。为了证明这一点，我们先来看一个用于表征天线性能的消声室例子，然后再为您介绍如何应用 COMSOL Multiphysics® 软件设计天线的几个示例。
在消声室内设计天线
由于天线辐射电磁波，因此确保天线的辐射场不会返回到辐射源非常重要。在这个过程中，附着在腔室壁上的吸收体通过吸收表面的入射波起着主要作用。这使消声室成为天线模拟中的一个关键方面。但是，包括消声室有一定的挑战，因为它增加了仿真的计算要求。
在消声室内激发的双锥形天线，用于测试电磁干扰（EMI）和电磁兼容性（EMC）。
上图的消声室比满足国际无线电干扰特别委员会（CISPR）规定的典型消声室要小，但它的计算成本仍然很高。这个模型需要超过 16GB 的内存（RAM）。为了提高计算效率，我们应该简化模型，同时保持计算的准确性。如前一篇博客文章所述，我们可以通过使用完美匹配层（PML）来完成此任务。这样可以在不牺牲仿真精度的情况下，将内存使用量减少到 2GB 以下。
如何在 COMSOL Multiphysics®中创建天线模型
为了在天线模拟中有效地模拟真实世界，我们需要选择正确的边界条件和物理特征。在模拟环境中准确地反映真实情况，同时仍保持模型内存和时间效率的同时，可能会遇到一些挑战。下表中，我们概述了一些真实世界中的天线场景以及可供选择的最佳建模功能。
| 真实世界 | 仿真模型中 | |
|---|---|---|
| 基本的 | 高阶的 | |
| 消声室吸收电磁波 | 散射边界条件 | 完美匹配层 |
| 金属天线主体和表面 | 完美电导体 |
|
| 网络分析仪测量用于天线输入匹配特性的S参数 | 端口或集总端口 | 数值 TEM 端口 |
|
远场域和计算 | |
在创建天线模型时，您不需要很多复杂的边界条件，仅设置四个条件就可以在 COMSOL Multiphysics 中创建天线了。下面，我们来看一个如何通过印刷偶极子天线的示例来了解这一过程。
印刷偶极子天线的几何结构。
印刷偶极子天线的几何结构由四个对象组成：
| 几何结构 | 仿真对象 |
|---|---|
| 块 | 聚苯乙烯泡沫板 |
| 长方形 | 板上覆金属层 |
| 长方形 | 端口位置 |
| 球体 | 空气域 |
几何结构仅由两种材料构成：用户定义的聚苯乙烯泡沫板和包围模拟域的空气。
使用下表中的物理场条件：
| 物理特征 | 目的 |
|---|---|
| 理想电导体边界条件 | 模仿具有高导电性的金属薄层 |
| 集总端口 | 激励天线并计算S参数 |
| 散射边界条件 | 吸收入射波以最小化任何反射 |
| 远场域 | 计算远场辐射方向图，方向性和增益 |
施加在矩形带上的理想电导体边界条件。
对于预期的工作频率，模拟可能只需要几秒钟。COMSOL中的 RF 模块提供默认的S参数计算，电场分布图和二维远场极坐标图。同时还提供了3D远场辐射方向图，它显示了计算得到的方向性和增益。
印刷偶极子天线的远场辐射方向图。计算出的方向性为2.15 dB，接近理想的半波偶极子天线的方向性。
尽管模拟天线是一个简单的过程，但是无论您是初学者还是专家，从简单的结构开始都是一个好主意。这样，在添加复杂的设计单元之前，对于简单的几何结构，我们可以确保基本建模过程是正确的。
您还能够使用RF模块将电磁学与任何其他类型的物理学结合起来。您可以查看和更改建模环境中的所有物理特征，并清楚地定义每个物理属性。在验证天线设计时，考虑多种物理效应以及了解所涉及的基础物理非常有用。
为了捕获物理细节，例如金属表面的损耗，对于几何上非常薄的金属薄层，您可以采用过渡边界条件；如果是有一定厚度的金属体，可以在其表面采用阻抗边界条件。。您也可以使用 PML 代替散射边界条件，散射边界条件只能吸收正入射的电磁波。
设置完这些物理条件之后，您就可以开始设计天线了，且不论是天线的形状是传统的、宽带的、多频带的还是阵列的，都可以采用类似的物理场设置。
使用RF模块设计各种天线
您可以在RF模块的“案例库”中访问许多适用于各种应用程序的天线模拟示例。教程模型包括传统天线（例如半波偶极子和微带贴片天线），宽带和多频带天线（包括Vivaldi、分形、螺旋天线和缝隙螺旋天线）。还有一个天线阵列仿真示例，在为5G移动网络设计设备时可能会很有用。
传统天线示例
如果您正在学习如何在 COMSOL Multiphysics®软件中对天线进行建模，那么传统天线（例如下面所示的半波偶极子和微带贴片天线）就是一个很好的例子。它们的几何结构相对容易构建，并且可以使用众所周知的分析解决方案轻松验证结果。
例如，您可以模拟一个半波偶极子天线来观察它的全向辐射。或者，您可以对微带贴片天线进行建模，以查看电场是否局限于金属贴片上。
传统天线：含四分之一波长的同轴平衡–非平衡转换器的半波偶极天线（左）和微带贴片天线（右）。
宽带和多频带天线示例
有时，我们需要用单个天线覆盖许多不同的频率范围。通过调整辐射结构并利用金属体或缝隙某个部位的多重共振行为，我们可以在不部署多个天线的情况下满足系统的规格。这样的例子之一是流行的Vivaldi天线，也称为锥形缝隙天线。
使用分形算法（例如Sierpinski，Koch和Hilbert的分形算法），您可以为天线应用生成有趣的结果。例如，与只能用于单频谐振的半波偶极天线不同，Sierpinski分形天线不需要额外的匹配网络即可将天线输入阻抗调整为 50 欧姆的参考特性阻抗，从而获得高阶谐振。
宽带和多频带天线：Vivaldi天线（左）和Sierpinski分形单极天线（右）。
天线阵列示例
当由于通信链路预算中的路径损耗而调节了天线的输入功率时，您的初始设计可能无法满足其所需的规格。这是5G 移动网络面临的潜在问题，可以使用天线阵列解决。
虽然天线阵列听起来很酷，但是如果进行精确建模，它们可以大大增加模型的规模和计算成本。当我们只想检查天线阵列的性能可行性时，我们可以使用天线阵列系数简化仿真，天线系数是天线理论的数学性质。这样，我们可以保持仿真的计算效率。
在 COMSOL Multiphysics 中，我们可以访问所有正在求解的方程式，并用其他公式对其进行修改。还可以通过创建一个天线阵列仿真应用程序，控制已实现的方程式和我们想要更改的参数。
天线阵列：单极天线阵列（顶部）和缝隙耦合微带贴片天线阵列合成器（底部）。
验证测试天线的设计
为了表征您设计的天线系统并评估它的电磁兼容/电磁干扰（EMI/EMC），必须在消声室或混响室内使用以下3种大家熟知的测试天线之一对其进行测量：对数周期天线，双锥形天线或双脊喇叭天线。您可以在模拟过程中检查这些测试天线并改善其性能。这些天线也是宽带天线的一种，通常分别覆盖 20MHz〜200 MHz，200MHz〜2GHz 和 2GHz〜20 GHz 的频率范围。模拟它们时，需要基于最高频率设置网格，或者在频率扫描期间为每个分析频率参数化更新。
测试和测量天线：对数周期（左）和双锥形天线（右）。这些天线普遍用于消声室内。
使用 COMSOL Multiphysics®模拟天线的优势
您可以在消声室内测试天线设计，但最终将其部署在实际系统中。当天线应用在不同类型的平台上时，您还必须评估天线的性能。一个辐射设备对另一设备系统的影响可能会出现问题，例如射频干扰。您可以通过仿真解决这些干扰问题。例如，您可以使用仿真来查看汽车挡风玻璃天线如何影响电缆线束，并评估飞机机身上的天线串扰。
仿真结果显示了汽车挡风玻璃天线对线束的影响（左）和飞机机身上的天线串扰（右）。
借助 RF 模块，您还可以使用二维轴对称建模方法来加速天线建模，这样就不会耗费大量的计算资源。通过这种方法，您可以快速建模天线，例如波纹状圆形喇叭天线和锥形喇叭透镜天线。
波纹状喇叭天线（左）和锥形喇叭透镜天线（右）的快速数值建模。
结束语
在这篇博客文章中，我们简要回顾了有效的天线建模技术，以及可以使用RF模块设计的几种不同类型的天线。示例中的每个天线模型都从简单的几何结构和边界条件开始。然后，逐渐将更多复杂的零件和单元添加到仿真中。这样，您可以轻松调试和调整天线模型。使用这些信息和特色示例，您可以开始在 COMSOL Multiphysics 中以优化的计算效率和速度设计天线。
RF 模块中的天线仿真入门
- 自己尝试：下载这篇博客文章中提到的案例教程
- 浏览案例库以获取更多射频示例模型
- 在 COMSOL 博客上了解有关RF和微波建模的应用
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