行业分享丨基于 Feko 的天线方向图近远场反演方法

全文内容选自 Altair 区域技术交流会西南站

佳驰科技公司资深电磁研发设计师 李维佳《基于 Feko 的天线方向图近远场反演方法》演讲

仿真如何辅助天线测试系统评估？

在电磁辐射控制与天线测试系统设计领域，如何利用仿真技术进行预判和优化，已成为工程实践中的关键环节。来自成都佳驰科技的李维佳先生，结合公司在近场天线暗室建设及材料测试系统开发中的应用经验，分享了 Feko 软件在天线近远场反演中的具体实践，为“设计+测试”一体化工作模式带来全新视角。

从测试评估走向设计指导

我们公司自建了多个大型测试实验室，包括2.5米和6米静区的紧缩场暗室，并具备 CNAS 资质。同时，我们还搭建了宽频透波率测试系统、材料耐功率测试系统、三场合一近场天线暗室以及低频反射率测试系统等，支撑我们在射频材料、电磁屏蔽和天线系统方面的研发需求。

在这些工程中，我逐渐发现 Feko 软件在我们工作中可以发挥很多辅助设计和验证的价值。尤其是在天线测试暗室建设中，我们经常面临一个问题：如何通过仿真预评估测试环境，判断近场扫描方式是否适合不同类型天线的测量，并预测反演出来的远场方向图是否准确。Feko 提供的近远场反演功能在这方面就非常实用，它内置了平面、柱面、球面三种近场反演算法，可以帮助我们提前评估不同测试方式的可行性。

举个例子，我们从最常见的喇叭天线开始做验证，导入标准模型后仿真出远场方向图，再设置一个平面扫描面，用近场反演出远场结果做对比。一开始由于采样间距过大，反演出来的方向图与直接仿真结果差异明显，尤其主瓣形状畸变严重。后来我们根据标准调整了采样参数——近场距离保持在3至5倍波长之间，扫描间距小于1/2波长，反演结果就与远场仿真高度吻合了。

但平面近场存在一个天然的限制，那就是无法获取后向辐射信息。我们观察到反演结果在后向出现较强凋零，因此推断它更适用于高增益天线和对主瓣分析要求较高的应用场景。为了进一步验证，我们尝试仿真一个线阵槽缝天线模型，并观察在不同指向角度（例如±40度、±50度、±60度）下的反演效果。实验发现，当扫描面大小不足时，反演结果的边缘角会出现明显畸变，导致方向图一侧“发胖”一侧“变瘦”，这是由于傅里叶展开的边界效应引起的。将面加宽之后，方向图的主瓣形态明显改善，在±50度范围内保持了良好的准确性。

接着我们尝试使用柱面近场进行仿真反演。相比平面场，它能更好地还原低增益天线的完整辐射特性，特别适合阵列天线、基站天线等具有环绕辐射需求的应用。我们设置了一个±45度扫描角度，发现仿真结果在主瓣和部分副瓣区域都与预期非常吻合。需要注意的是，在使用柱面和球面反演时，Feko 要求加载电场和磁场联合数据，而不仅仅是电场，因此前处理设置必须匹配正确。

通过这类仿真，我们获得了一个比较清晰的认知：

平面近场：适用于高增益天线及相控阵设计，推荐角域在±30~50度内，关注采样密度与扫描区域匹配。

柱面近场：适合线阵类或宽波束扇形天线，反演范围更广，精度更稳定。

球面近场：适用于全向或复杂形态天线，能提供全角域反演。

在佳驰科技的实际项目中 Feko 不仅为天线测试提供了一种高效的仿真验证手段，也帮助我们在测试方案选型、天线结构优化、暗室建设参数规划等方面具备了更清晰的依据。仿真从设计中前置地介入到测试验证环节，这种跨流程协同将进一步推动我们产品开发的精度和效率。

工程创新不止于设计，更关乎实践落地