电磁场分析软件FEKO

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1、电磁兼容分析软件FEKO(FEKO Suite 5.3)1040X5065)电磁场分析软件FEKO （5.3）1. 软件背景介绍FEKO是复杂形状三维结构的电磁场分析软件，是复杂专业电磁场仿真领域中最强大的 软件，应用范围非常广泛,由南非的EMSS公司开发。FEKO基于著名的矩量法（MoM）对 Maxwell方程组求解，可以解决任盘复杂结构的电磁问题，是世界上第个把多层快速多极 子（MLFMM： Multi-Level Fast Multipole Method） 法推向市场的商业代码,在保持精度的 前提卜人大提高了计算效率，使得精确仿真电人问题成为町能（典型的如简单介质模型的RCS、 天线罩

2、、介质透镜）。在此之前，求解此类问题只能选择高频近似方法。FEKO中有两种高频 近似技术可用，一个是物理光学（P0）,另一个是一致性绕射理论（UTD）o在MoM和MLFMM 需求的资源不够时，这两种方法提供求解的町能性。FEKO中通过混合MoM/PO和MoM/UTD 來为电大尺寸问题的精度提供保证，非常适合丁分析开域辐射、雷达散射截面（RCS）领 域的各类电磁场问題。FEKO还针对许多特定问题，例如平面多层介质结构、金属衣而的涂 覆等等，开发了量身定制的代码，在保证精度的同时获得最佳的效率。2. 主要功能0 1电大问题的求解：FEKO通过MLFMM、MoM/PO MoM/UTD从算法上提供了电

3、人问题求解的途径；0 2.丰富的求解器选择：FEKO提供多种核心算法，矩量法（MoM）.多层快速多极子方法（MLFMM）、物理光学法（P0）、 一致性绕射理论（UTD）、有限元（FEM）、平面参层介质的格林函数，以及它们的混介算法 来高效处理各类不同的问题：0 3.优化功能：FEKO提供了离散点计算方法、单纯形方法、共轨梯度法、准牛顿法等多种优化方法；0 4.快速宽频响应计算：FEKO通过自适应频率点采样和插值，提供宽频率响应的快速计算能力；0 5.时域求解：FEKO基于频域分析，同时通过FFT提供时域响应分析能力；0 6.强大的前后处理功能：CADFEKO提供直接面向求解器的3D图形建模和网

4、格划分功能，支持多种CAD格式的网格文 件导入：包括 FEMAP Neutral （*.neu）, AUTOCAD （*.dxf）,特定的 ASCII, NASTRAN （*.nas）, STLf.stl）, ANSYSf.cdbh ParaSolid 等等：POSTFEKO 提供图形化后处理能力。0 7.二次开发：FEKO提供循坏和分支控制语句，能够输入自定义的惭数或进行计算过程的程序化运行。0 支持多种硬件和软件平台：FEKO支持所右主流CPU平台和操作系统，包括先进的64位系 统和各种并行系统：0 8并行计算:FEKO提供并行版本，支持分布式内存（MPP）和共享式内存（SMP）并行方式，

5、K MLFMM 求解器只有非常好的并行效率。在并行计算中，加速比和效率是并行程序进行评价的重要指 标，其中，加速比定义为：单个节点上的运行时间和n个节点上运行时间的比，效率定义为 加速比和计算节点个数之比。MLHVIM求解器的并行计算效率测试见图111002 4 6 8 10 12 14 16 U 20 22 24 M M M 32Number of pvocc*c*图1 FEKO-MLFMM求解器并行计算效率3.典型应用0天线设计：慕于其独特的高频算法，FEKO广泛应用于包括线天线、面天线、喇叭天线、反射面天线、 相控阵天线、微带天线等各种天线结构的设计中，计算和优化各种关心的天线性能参数。

6、0天线布局：飞机、舰船、车辆等载体上的天线在工作状态下其输入阻抗、方向图等会受到载体的影响, 载体的电尺寸通常都比较人，FEKO独特的MM/P0/UTD混合方法对这样的电人尺寸问题非 常适用，能自效地优化我体上天线及天线系统的布局方案，类似的影响还包括地面、水面、 天线附近的人型目标等。0雷达散射截面（RCS）计算：对于犬型目标、地面目标等的RCS需达散射截面（目标识别）计算也通常是电人尺寸问题, 同样，FEKO的混合高频算法对这类问题也有很好的计算效果。0 FMC/EM0 析：EMC/EMI分析的涵盖范I韦|卄常广泛，FEKO适用于系统级的高频EMC/EMI计算，前面提到的 天线布局分析实际

7、上就可以完成天线系统的EMC计算。FEKO的很多特有技术对EMC分析 非常有效，比如：有多种方法可以模拟介质体和磁性结构、能有效处理真实地面、用藝层介 质函数可以分析E卩刷电路板、特别善于处理电人尺寸问题的高频混介算法、自适应频率采样 （AFS）技术特别适合于宽带EMC分析等等。0平面微带天线：FEKO采用全波方法分析微帯天线，町以精确获得耦合、近场、远场、辐射方向图、电流分 布、阻抗等参数：0电缆系统：FEKO与CableMod结合起來，町以非常高效地处理系统中的负贵电缆束的耦合以及电缆与天 线的耦合问题：0 SARil 算：不同介质参数区域内的场值町以计算出来。然后这些场值被用于计算规范吸

8、收比（SAR）；0散射分析：利用MoM或MLFMM町以分析电小或电人尺寸目标的散射特性。0介质体和铁磁材料：1-tKU的面等效原理利体等效原理对介质体、铁幽材料体等结构提供有效的计算力式。同时， 其在平面筋层介质、涂敷线、介质基片等应用领域也提供柑应的处理手段。1.1套装模块组成FEKO套装软件由以卜几个部分组成：-建模分网前处理模块CADFEKO-可选择的高级前处理模块一一卡片编辑工具EDITFEKO-计算底层执行模块Prefeko FEKO timefeko Y-后处理模块POSTFEKO其中，CADFEKO、EDITFEKO和POSTFEKO是软件的图形操作界面，一般情况下，用户 通过这

9、些GUI界面来使用软件。1.2界面CADFEKO - MwtpherewHhAp )0 view 1 j “ ew L*Geomeey feX* nd oLAdt COOmuttnlftjrOc*cBQU B 7 4人d HO勺習:二二 Z拧卫s/api qceQeG 丄w zp U11 A: 0 (s 20/ :p:/o0N?7aA，人q -册egci Bxejccl file.*.八eetimrM m 0 i Uo MibJa ufcCMSMr “ Wc sm $ (Mrg “f I: tC40MtaKhMrtiCwwohrrvf I etc tp、c mrisfwrwl g 补 朴3#图

10、14建模设置界面CADFEKOtw B QHMVCXl aomc* A YVMMQOoufirrri a:IA_nnAMJB.Ml# f i * n a QBDSQBBfiSW1 wtx. iwwi AHetlloU2UA1Mr 2lg*A W rr图 1-2 EDITFEK0 界面图 1-3 POSTFEKO 界面2算法基础2.1积分方程方法(MoM/MLFMM)2.1.1 矩量法(MoM)1、矩量法的一般方法矩最法是一种基于积分方程的严格的数值方法，其精度主要取决于目标几何建模精度 和止确的基权函数的选择及阻抗元素的计算。其思想主要是将几何目标剖分离散，在其匕定 义合适的基函数，然后建立积

11、分方程，用权函数检验从而产生一个矩阵方程，求解该矩阵方 程，即可得到几何目标上的电流分布，从而其它近远场信息可从该电流分布求得。下而以电 场积分方程求解理想导体的电磁散射问题为例，简要介绍矩量法的一般方法。由麦克斯维方程组和理想导体的边界条件町以推导出，表面电场枳分方程(EFIE)如(j3力+屮)伽=显鶯r on S (1)其中，広为矢最磁位，屮为标鼠电位，表达形式分别如卜:1厂心屮(r) = rr(r )ds坯 k 4/r | r - r |定义基函数系列几，将电流展开为加1(4)5购 n+=其中人为与第n个基因数柑关的n个的电流展开系数。为了将枳分方程离散成为矩阵方程, 采用伽略金匹配方法

12、，选取与基函数相同的函数系列作为权函数，表示为C对式求内枳 得将式(4)代入式(5),得到包禽N个未知量的N个线性方程，可以写成KJ/J = (6)(7)JmZnml为MXN的矩阵,人和阿旳为NX 1的向量，厲为电流系数，阿为 激励向最，N为未知最数目。其形式分别如下：z”可叽丄几玄山+丄一Js-)叫上式中,WrJjv二烈门仃I-ds4兀|尸一尸|。测八虫(9)(10)矩阵方程(6)建立Z后，卜一步就是该矩阵方程的求解。 求解方法冇直接求解和迭代求解等。随着求解问题的规模 增大，直接求解方法的计算量非常巨大，计算复杂度为 O(M),而迭代求解每步迭代的计算复杂度为O(N2)。得到 表面电流Z后

13、，町以根据该电流分布求得其他感兴趣的电 磁参数，如雷达散射截面(RCS)等。矩最法的一般流程nJ用图1来表示何題定义|此外还有，多层快速多极子(MLFMM),其中包括1、 快速多极子，2、多层快速多极子城充m抗览阵【z*川充右亡加劝向帛解葩阵方程2匸B计算远场EMC耦合1算例介绍这个例子将考虔一个典型的HF单极子天线和一根加载传输线的互耦，如图3J所示。天 线与传输线都是用金属线结构（我们所指的细线结构是指导体的长度远人于导线的直径）.田3-1楔荃结构2預备知识开始这个例子之前，需要确保你的系统满足运行这个例子所需要的条件。同时，希望这个例 子和你的工作相关或者有相关应用。该算例的目的：使用地

14、面來模拟一个无限大导体地板。加载一个具有复阻抗的器件。在细线结构的器件上施加电压源-采用自适应频率采样来获得连续的数据。在POSTFEKO中查看输入阻抗与电流分布。该算例运行的条件：-需要安装具有有效许可文件的FEKO 5.3或更高版本。-FEKO叮以在LITE模式卜使用，但这将使得用户只能解决小问题，建议使用完全授权的许 可文件或试用版。该算例的一些部分町以在LITE模式下完成，但是冇些部分则只能在完整的 或试用版许可下完成。建议在做这个算例之前先看一遍演示视频（除非你对FEKO软件已经熟悉）这个算例所需时间不超过70分钟。3在CADFEKO中建模从启动CADFEKO开始。打开CADFEKO

15、时，窗I I中没有模型显示，而只显示3D坐标。II将模型保存在一个新的目录，以便进行进一步的操作。CADFEKO将模型存储为fx文件。我们即将进行的建模步骤可总结为以卜几点: 单极子天线具有单根线结构。传输线定义为折线单元。-地面采用无限大反射面挖近似。在单极子天线上加一个端II和电压源。-对模型设置辐射能量。对传输线设置端II,加添加一个复阻抗负取设置求解频率保存电流,方便在POSTFEKO中查看。对模型进行剖分,并运行FEKO求解器与前面的例子相比，所有的尺寸都将直接釆用米做单位。口1首先在正Z方向画一单极子天线。在创建几何结构的工具条上选择line,创建一根在正Z方向长12m的单极子天线

16、。在这部分完成之后，点3D视图上的工具条中Zoom toextentSo注意此时可能很难看到所建的单 极子天线，因为它和Z轴更合。01由于单极子天线和传输线貝有不同的半径,因而在剖分时线的半径不能设为总体。对于传输线町以 设为全局设置，但是对于单极子天线则需要本地设置。 可以在Edge properties对话框中设线的半径。在目录树屮选择线(line),在细节树中展开Edge*并选择边,从弹出的菜单中选择Property,即可打开 Edge properties 对话框。1 /DeHRMfUMTWnCM*1j选中Local wire radius,输入线的半径为 0.015 米。边(Edge

17、)旁边的图标町以改变细节树，表示对边(Edge)的 局部半径进行设I代输线采用折线逬行建模。在创建几何结构的工具条中点击Polyline.此时将创建沿Y轴方向的传输线。点击3D视图上的Zoom to extents按钮將所得结构放入3D为了建一个无限人 地面，需要忝加一个具有一定反 射系数的地面。点击冃录树中的 the Infinite planes 或者点图标 Define infinite plane。 选择 medium 下的 Ground (reflection coefficientGroundplane approx。),将 Ground medium 选 为 Perfect el

18、ectric conductor 视图中。I与创建有限大地面相比,这个创建大的地而的 方式是很有效率的。卞步就是为模型添加端II,激励和负我。首先在单极子天线是创建一个激励端II。选择目录树 I、的Linel,右击细节树中的边(Edge),并选择Create port -* Wire port,创建该端口。这个模型中采用默认的端I I设置(线的初始点，面端I 1)。 点击Create和Close创建端并关闭对话框压源。点击工具条上的Voltagesourceo该算例中,应当选择辐射能量为1瓦，但是由于我们不知道输现在第一个端I I施加一个电入阻抗的值，所以不能通过改变电压來设置。并且，稍后将介

19、绍设置能量以调整辐射能當。因此，使用默认的电压设置。1点击工具条上的Specify power settings,対模型的辐射能量进行设该算例的辐射能量为1瓦，所以在计算之前，因激励源的失配造成的能量损失应当先减掉。选择Total source power (no mismatch),输入源的能 M：(source power)为 匕点击 OK。在工具条上选择Add load为第二个端门添加负我。将负载的端II改为Port2,将阻抗的 实部设为1000 Q 。点击Create和Close创建端I 1 并关闭对话框。剩卜的还未设定的就是所要计算的 频率范囤和所希塑得到的计算结果。11该算例算所需

20、要输出的为负载上的电流.点击|ua广 CnMAivULMinmtvq将所有部分的长度设为05m。ikw考龙到瑕高频率为30MHZ-或者波长为lg此时会令很好的剖分单元。此时，这个问题菲常小，所以不会存在计算资源的问题。此外， 线的半径要比其长度小的多。将线的全局半径按照传输线的半径C/i CtoM设置为4mmo (单极子天线的半径设置为局部尺寸,而局部尺寸会覆盖掉全局尺寸。)Current output选择电流输出模式选择All currents.冋KIBiarinv thr t r I k in *nin rory (caht t) Curawitly vl “(pake farnrkin

21、tltnfmtCalculation ot th*otJ$4 hjrl be* bwm Hwatwl46 $4t klhrte) tUitJB (f ruRnry)Mo* tubMtxicesFffirtrtit ;rrY*Alrwliittnn nt wire rwnnt inteyrnKCaluuialiClcultxoft c the Xeoncs ofside voctoxlutinn ofIw nf eqti/f gh t APACALU UekAjaficmA t aim ui I be m(x ajiEstiBatian eeadit laa mrnbmr R/*4tvHrdr

22、milnti tcnLtoleiBAiiatAMi 5 Itoeml iajvtmdCtexiMioa of the swxfece cuxsMtt(Current )Thv lulol fttxaiwr ul anolvwd tiwyuviKivi 4JIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIH如114求解完成模型的准备匸作z后,即町使用求解器计算得到所需要的结果。要运行求解器之前, 最好先将模型保存。在菜单中选择Run - FEKO或者点击Run FEKO的图标即可在CADFEKO中运行FEKO求 解器。此时将打开一个窗II,会时时

23、显示仿真的过程。 在这个频带内将求解43个频率采样点。5结果显示CADFEKO菜单下选择RunPOSTFEKO,或点击 Run POSTFEKO,打开 POSTFEKO POSTFEKO打开后会显示模型3D视图。在所有的绘图 过程中都会使用到POSTFEKO,包括该项算例中需要的 绘制电流随频率的变化曲线视图上的 Add a currents andcharges graph,绘制传输线上的电流随频率的变化图。 在左边的绘图控制而板上，选中Use continuousfrequencyo选中Label中的Polyline. WireZ. PortZ 此时，将绘制完成该端I I处电流随频率 变化

24、的曲线。#o选择Left axis,打开控制而板，改变坐标仗迓。将单位改为dBoSource data-FieouencySource 卩她*3CX0MH2 j111SlAfTSd接下来，我们将绘制一个输入阻抗的2D图像。tom、1，屮THj(ohm)($0OumIW| “冷 Impeteotfr 6ourtr rIqv*畑it|厂r cwrw厂朴*r giiC LOMKMWr vovmC Cflkiency点击Add source graph建立一个新的激励源图形窗I I。选中Use continuousfrequency以显示整个频带的数据插值。将Quantity设为Impedance,将part设为ReaL此时将会在图中昭示出阻抗的实部。copy series,U制肖前曲线。选中新的图像（标签为series 2),并将 part 设为Imaginary,此时将会包含两条曲线併有相应说明。12if IJ6总结该算例演示的是EMC问题的设豐与求解过程。所求解的问题是一个无限大理想导电t也 面上的一个单极子天线和一个传输线的耦合,并给出了传输线上从1MHZ到30MHZ的耦 合电流。13