如何在電磁仿真中模擬吸波室，通過調整吸波器的工作頻率使其能結合調諧至 UHF 頻段的雙圓錐天線使用。仿真中將雙圓錐天線的框架作為邊界模擬，70 MHz 下的三維遠場模式，類似于典型半波偶極天線的模式。

通過電磁仿真，我們最終希望能通過精密地模擬我們在真實世界中觀察到的效應來提升設備效率及生產力。在這個過程中，您首先需要理解試圖描述并模擬的真實情況，以及其中應加入的細節(jié)。我們將在博客中探討測量環(huán)境內的真實電磁波。

在真實世界中測量電磁波

在表征用于發(fā)射電磁波的電子器件時，我們需要保證輻射波不會返回被測器件 （DUT）。當反射波疊加到原始波中時，會造成相位畸變，所以周圍沒有任何物體的無限空間是最理想的選擇，這類環(huán)境中不存在由類似多徑衰落等反射帶來的影響。曠場最接近地球場景，但它仍會受到地面的顯著影響。

如果我們了解發(fā)射器與接收器之間的確切空間構型，并能確定只有地面會使電磁波發(fā)生扭曲，就可以通過網絡分析儀的時窗特征移除多余的信號通路。但由于每次測試都需要把這臺笨重的機器拖到曠場，所以它并非最理想的選擇。作為替代方案，如果能在實驗室內實現一個有效的無限空間，也就是全寂室，那將非常方便。全寂室的壁將吸收入射波，而且不會干擾DUT。

全寂室中的天線測量。

模擬全寂室

在“借助周期性結構模擬 RF 全寂室”博客中，我們演示了如何借助 COMSOL Multiphysics 和 RF 模塊設計微波吸波器。金字塔形的周期性損耗結構會逐漸減弱入射波，而且?guī)缀醪粫a生反射，因此能將全寂室打造為一個無干擾的環(huán)境。

那么，我們能否利用這些吸波器來模擬全寂室中的天線呢？當然可以！

全寂室內使用的常規(guī)微波吸波器。

我們放大了原始金字塔形對象的幾何，通過調整吸波器的工作頻率使其能結合調諧至 UHF 頻段的雙圓錐天線使用。金字塔形對象的尺寸與待測量波長成正比。

全寂室模型的開發(fā)步驟與開發(fā)真實全寂室類似。我們首先將創(chuàng)建一個 3.9 * 3.9 * 3.2 m 的空房間。外壁被完美電導體覆蓋，以模擬厚度足以阻擋所有室外入射信號的導電層。六個壁面上均安裝了吸波器。

我們在全寂室的中央設置了EMI/EMC 測試的雙錐形天線教程模型。結果顯示天線的性能類似于 App 庫示例中的結果。下圖較好地顯示了電場大小的等值線圖。

全寂室中雙圓錐天線的仿真。

由于全寂室的幾何及尺寸都很復雜，所以我們需要 16 GB 的內存來運行仿真。不過，我們接下來介紹的方法將能簡化這個過程。

更有效的建模方法

有人之前曾詳細介紹過幾種模擬開放邊界域的方法，特別提到了完美匹配層和散射邊界條件。我們可以借助完美匹配層 （PML） 在仿真環(huán)境中創(chuàng)建理想全寂室。

仿真中將雙圓錐天線的框架作為邊界模擬，同時還需要周圍的空氣域和完美匹配層。圖中僅顯示了一半的 PML 層。

本例中的工作頻率為常規(guī)的 VHF 頻段 （60 MHz – 240 MHz）。為了簡化建模步驟并減少所需的計算資源，我們假定天線的框架結構是極薄的幾何平面。由于給定頻率范圍內的厚度大于集膚深度，所以可以將該結構作為完美電導體模擬。

對于置于中央兩個六邊形框架結構的間隙，將其指定為一個參考阻抗為 50 Ω 的集總端口。天線由一個球形空氣域環(huán)繞，空氣域的最外層配置為 PML 層，負責吸收天線的所有外向輻射，同時作為仿真中的全寂室使用。

70 MHz 頻率下 yz 平面上的電場分布 （dB）。電場在整個天線結構中發(fā)生諧振。

電壓駐波比 （VSWR） 圖（y 軸采用了對數刻度）；圖片顯示 VSWR 的均值近似于 3:1。

上圖顯示了電場的分布 （dB），并用箭頭圖繪制了電場在 70 MHz 頻率下的方向性。當頻率位于較低范圍時，電場被限制在整個結構中。隨著頻率的增加，反應區(qū)會逐漸減小。因此，天線結構中會對電磁波產生響應的部分會沿集總端口的中央收縮。計算得到的 VSWR 平均值近似為 3:1，性能接近雙圓錐天線商規(guī)產品的 EMI/EMC 測量結果。

70 MHz 下的三維遠場模式，類似于典型半波偶極天線的模式。

三維遠場輻射模式顯示出與 H 平面相同的全向特征。根據建模配置建議，我們現在只需要不到 2 GB 的內存就能計算遠場輻射模式及擁有輕量六邊形框架的雙圓錐天線的 VSWR 值。因此，與完整全寂室仿真相比，我們可以更輕松快速地完成模型設定。