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FEKO--强大的高频电磁仿真软件

本站编辑:Admin发布时间:2017-02-28 16:21:21

一、概述

GronumSmith博士领导下,将80年代盛行的数值方法矩量法(MOM)成功引入到FEKO,在此基础上又引入了多层快速多极子(MLFMM),FEKO是世界上第一个把该方法推向市场的商业软件。该方法使得精确分析电大问题成为可能。

FEKO支持有限元方法(FEM),并且将MLFMM与FEM混合求解,MLFMM+FEM混合算法可求解含高度非均匀介质电大尺寸问题。特别适合结构之间通过自由空间耦合的问题,MLFMM区域(例如辐射区域)和FEM区域(例如介质区域)之间的空间并不需要划分网格,这使得矩阵规模很小,因此需要的计算资源很少;FEKO采用基于高阶基函数(HOBF)的矩量法,支持采用大尺寸三角形单元来精确计算模型的电流分布,在保证精度的同时减少所需要的内存,缩短计算时间;FEKO还包含丰富的高频计算方法,如物理光学法(PO),大面元物理光学(Large element PO),几何光学法(GO),一致性几何绕射理论(UTD)等,能够利用较少的资源快速求解超电大尺寸问题。

基于强大的求解器,FEKO软件在电磁仿真分析领域尤其是电大尺寸问题的分析方面优势突出,成为电磁仿真领域的领军产品。

 

二、求解技术

核心算法

算法特点应用方向

矩量法(MOM)

基于麦氏积分方程,精度高,特别适合计算一般电尺寸及电小问题,例如:线天线、微带天线、微波器件、微带电路、小型天线阵列等

ACA技术

非常适合稠密问题,如包含复杂介质的问题或频率低几何尺寸却很大的问题,此方法计算效率高。

多层快速多极子(MLFMM)

MLFMM方法是基于分组思想,分组逐层计算单元间的相互作用,内存需求正比于为N*log(N),这种方法非常适合电大尺寸结构的辐射与散射问题。

有限元(FEM)

有限元算法非常适合计算复杂介质、精细结构的模型。

多层快速多极子+有限元

(MLFMM+FEM)

混合方法处理包含电大载体和复杂介质体的目标体,多极子方法仿真电大尺寸部分,有限元算法仿真精细部分或复杂介质。

高阶矩量法

(High Order MoM)

基于高阶基函数(HOBF),支持采用大尺寸的三角形单元来精确计算模型的电流分布。大尺寸的单元意味着更少的单元数和未知量,在保证精度的情况下减少所需内存,缩短计算时间,适合于电大尺寸的辐射和散射问题。

Windscreen技术

风窗天线仿真专用技术,计算精度好,仿真效率高,适合如汽车等风窗天线相关行业。

平面格林函数

适合平面微带电路、天线。介质体不需要划分网格,计算速度快,可用于大规模微带结构问题仿真以及模拟无限大地平面和海平面。

物理光学(PO)

网格划分与矩量法规则一致,添加了福克电流来提高精度。适合电大尺寸天线、天线布局、雷达隐身等问题的快速计算。

大面元物理光学(LE-PO)

该方法可以采用与波长相当甚至几个波长的尺度剖分目标,大大降低了目标的网格数量。对于超电大问题如舰船,相对传统物理光学,采用此大面片PO方法,可大大提高计算速度,扩展求解问题的规模。

几何光学(GO)

网格仅需要与几何拟合即可,非常适合超电大尺寸问题的辐射与散射分析,例如天线罩、反射面天线、介质透镜天线等问题。

一致性绕射(UTD)

UTD是一种渐近方法,结构的尺寸不再影响内存需求

 

三、主要应用

FEKO主要有以下典型应用:

(1)天线设计:线天线、喇叭和口径天线、反射面天线、微带天线、相控阵天线、螺旋天线等。

(2)天线布局:实际上,天线总是装在一个结构上的,这会改变天线的“自由空间”辐射性能。

(3)EMC/EMI分析:由于MoM中仅仅需要离散电流流过的表面,FEKO非常适合各种类型的EMC仿真。

(4)平面微带天线:FEKO采用全波方法分析微带天线,可以精确获得耦合、近场、远场、辐射方向图、电流分布、阻抗等参数。

(5)电缆系统:FEKO与CableMod结合起来,可以非常高效地处理系统中的负责电缆束的耦合以及电缆与天线的耦合问题。

(6)SAR计算:不同介质参数区域内的场值可以计算出来,然后这些场值被用于计算规范吸收比(SAR)。

(7)雷达散射截面(RCS)计算:对于大型目标、地面目标等的RCS雷达散射截面(目标识别)计算也通常是电大尺寸问题,同样,FEKO的混合高频算法对这类问题也有很好的计算效果。

(8)介质体和铁磁材料:FEKO的面等效原理和体等效原理对介质体、铁磁材料体等结构提供有效的计算方式。同时,其在平面多层介质、涂敷线、介质基片等应用领域也提供相应的处理手段。


四、特点

FEKO基于经典的MoM,并融合了高效快速的求解算法多层快速多级子(MLFMM),同时结合了特别适合处理非均匀介质的有限元方法(FEM)。另外,FEKO还支持快速的高频近似算法,以及MoM与高频方法、有限元法的混合算法,极大的扩大了单一算法的求解范围,将电大尺寸问题的求解能力大大加强。 

1) 全面的矩量法 

Feko中实现了非常完备的矩量法,并第一个将多层快速多级子算法引入商业软件大大提高了计算效率。考虑了集总参数、趋肤效应、损耗、生物体吸收等影响,可以处理金属、自由空间、均匀介质、非均匀介质、多层介质。 

2)  在开域辐射或电大尺寸领域算法上无以伦比的优势 

矩量法和高频近似方法的混合大大扩展了可求解问题的规模,尤其是用于开域的辐射、散射及电大尺寸等问题优势不可动摇。 

3) 高精度 

完备的矩量法的解通常非常接近解析解,而且相比其它方法收敛性更好。计算辐射、散射等问题时,Feko无需设置截断边界,没有数值色散误差。 

4) 混合仿真技术极大地降低了计算量和存贮量

在电大尺寸问题的计算上,混合仿真技术大大降低了计算量和存储量,保证了求解的效率。 

5) 友好的用户界面和完善的CAD接口

6) 卓越的并行计算能力 

Feko的并行功能经过多年的发展已经非常成熟,效率也不断提高,目前并行效率因子已经达到0.8。 

7) 与CableMod和PCBMod的接口 

Feko与用于PCB和复杂电缆配线的EMC/EMI、SI分析模块(分别为PCBMod和CableMod)之间存在接口,可以处理从芯片、器件、电缆到机箱、系统等的EMC/EMI问题。 

8) 自适应的宽频扫频技术 

自动调整频率间隔,采用少得多的采样点分析系统的宽频带响应,大大减小计算量。 

9) 多参数优化能力 

可以以增益、近场等用户指定的目标函数对多个结构参数同时进行优化分析,并提供了多种优化算法。


五、功能

(1)FEKO通过MLFMM、MoM/PO、MoM/UTD从算法上提供了电大尺寸问题求解的途径。

(2)不同的问题有不同的方法: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(PO)、一致性绕射理论(UTD)、有限元(FEM)、平面多层介质的格林函数,以及它们的混合算法来高效处理各类不同的问题。

(3)利用其独特计算技术,FEKO可以处理各种复杂材料构成的均匀背景介质、分层介质问题,用于分析微带电路、微带天线等多层结构问题、考虑地面、海面的反射效果。

(4)FEKO的时域电磁场分析功能通过傅氏变化和逆变换来实现时域和频域的转换,并提供了多种常用的电磁脉冲激励模式。对于工程中的宽频响应分析,采用分段步进或者自适应频率选择,来得到频带内响应。

(5)FEKO具有良好的优化设计能力,基于多种优化算法(诸如单纯形法、共扼梯度法、准牛顿法等),可针对增益、隔离、RCS、辐射方向图、阻抗系数、反射系数、近场值等进行优化分析,达到分析设计一体化。

(6)FEKO独具特色的自适应频率采样(AFS)技术使其具有快速而精确的扫频计算能力。该技术利用有理样条函数来自动选择扫频计算的采样点,采样点的梳密分布与响应曲线直接相关(比如,在谐振频率处会自动增加采样点),在同等精度下,该技术极大地减少了扫频分析的计算时间。

(7)FEKO支持分布式内存和共享式内存并行方式,提供了单机多CPU并行、多机网络并行等程序版本以及支持大内存(最大可达到16GB)运行的UNIX版本等,以满足工程实用需要。同时FEKO具有优异的并行计算效率。

(8)强大的建模和后处理功能:FEKO提供3D图形建模功能,提供多种单元实体及相应的布尔操作,能够建立相当复杂的模型;同时提供3D图形和2D图形后处理能力,并且支持动画显示结果;支持多种高级CAD软件(如UG、Pro/E、CATIA、FEMAP Neutral 、AUTOCAD、ASCII、NASTRAN 、STL、ANSYS 及所有ParaSolid格式)创建的几何模型。可以计算电磁场强度、S参数、电压、输入阻抗、雷达截面积(RCS)、远场和近场、天线方向图、增益、极化、特殊吸收比(SAR)等,并做结果的云图、矢量、动画、切片显示。

(9)支持多种硬件和软件平台:FEKO支持所有主流CPU平台和操作系统,包括先进的64位系统和各种并行系统;

(10)二次开发:FEKO 提供循环和分支控制语句,能够输入自定义的函数或进行计算过程的程序化运行;开放的输入输出文件,可以被Matlab、Frotran、C等调用。


六、流程模块

FEKO套装软件由以下几个部分组成: 

建模分网前处理模块——CADFEKO 

1、强大的模型建立、导入和模型修复功能,提供各种常见CAD模型的导入接口:Unigraphics;Catia、Pro Engineer、Parasolid、IGES、ACIS等;

2、可以导入复杂的CAE网格模型如:FEMAP、Nastran、Ansys、Patran、STL、Abaqus等;

3、介质材料、金属材料、多层薄层介质、阻抗层、支持频变材料等

4、全面的馈电端口:波导端口 (同轴端口、矩形波导、圆波导)、微带、线端口、棱边馈电端口、FEM模式馈电端口等,准确计算端口参数;

5、计算方法(MoM、高阶MoM、MLFMM、FEM、GO、PO、LE_PO及UTD等)的设定;

6、集成了丰富的优化算法,如单纯形法、遗传算法、粒子群算法以及网格快速搜索法等,可方便实现多参数、多目标优化;

7、计算参数(近场、远场、电流、S参数及SAR分析等)的图形化设定。

可选择的高级前处理模块——卡片编辑工具EDITFEKO  

1、可以对CADFFEKO生成的.PRE文件进行编辑;

2、参数化.pre生成脚本模板,便于利用高级编程工具例如C、C++、MATLAB等直接调用FEKO求解器;

3、适合于高级用户,利用一些高级设置例如:相控阵扫描馈电、天线与天线罩相对位置的变化计算瞄准误差等;

计算底层执行模块——Prefeko、FEKO、timefeko等 - 

后处理模块——POSTFEKO 

1、提供丰富工程参数直接显示,例如:方向性系数、增益、驻波、S参数、效率、耦合度、RCS、极化、场分布、SAR、表面电流和电荷密度等;

2、POSTFEKO支持多个窗口来观察多个几何模型和图形结果

3、支持仿真结果的输入/输出、并可以导入外部测试数据;

4、3D视图中支持标尺网格,便于在几何体上移动来获得几何尺寸信息;

5、支持多种显示方式:支持多个、任意方向的切平面,云图、动画、2D曲线、数据列表、直角坐标、极坐标、Smith圆图、射线等;

6、计算并显示矢位场和标位场;RCS参数计算可以直接得到极化的RCS值:Ludwig III co- and cross-polarisations, 并可以对极化的RCS进行优化;

7、支持LUA脚本,方便批量处理结果文件(.bof),对特殊工程参数(如:相位中心、瞄准误差、RCS方差、电磁辐射安全区域等)更方便结果处理及显示;

8、集成Integrated FFT/IFFT,提供常用时域波形,可进行时域串扰、雷电脉冲冲击以及隐身成像显等;

9、后处理中可以在2D曲线中显示CAD模型。

其中,CADFEKO、EDITFEKO和POSTFEKO是软件的图形操作界面,一般情况下,用户通过这些GUI界面来使用软件。


七、技术特点

FEKO针对电大尺寸电磁问题

多层快速多极子

MLFMM算法是精确求解电大尺寸问题最为有效的方法;

有限元法+多层快速多极子方法的混合:FEM+MLFMM混合处理包含电大载体和复杂介质体的目标体,充分发挥多极子与有限元算法的优势;

高阶矩量法:高阶矩量法是求解电大尺寸辐射和散射问题的一种新技术,采用了矩阵的直接求逆,不存在发散和收敛慢的问题,适合于求解强谐振问题(如:进气道、波导裂缝阵列天线)和单站RCS问题;

矩量法+高频混合算法:

矩量法+物理光学法-PO混合;

矩量法+几何光学法-GO混合;

矩量法+一致性绕射法-UTD混合;

高效并行技术

基于MPI/OpenMP并行技术,支持分布式并行、共享内存式并行,软件支持单机多核并行,也支持多机多核并行运算,具备高效、强大的并行计算能力,支持Windows、Linux、Unix等各种平台;

单站RCS快速收敛技术

通过引入继承迭代技术,将前一个角度的结果修正后作为后一个角度的初始值,大幅减少多层快速多极子迭代步数,实现单站RCS快速精确计算

非辐射网络与天线的联合仿真

FEKO软件支持场、路联合仿真,在FEKO中可以直接读取电路的S、Z、Y、Spice等参数文件,把非辐射电路网络和辐射单元联合起来进行总体分析,并且FEKO可以输出天线的S参数,用于电路工具仿真。

GPU加速

FEKO支持GPU加速,对于矩阵求解处理速度可提升数十倍甚至上百倍(与GPU所含处理单元有关),对于大型计算任务效率提升显著。

支持特征模式分析(CMA)加速支持不同任务指定不同的GPU加速

支持单个任务多块GPU加速

GP-GPU集群支持

风窗天线模拟技术

独特的风窗天线处理技术,支持MLFMM计算,可分析整车模型中的风窗天线的辐射、接收问题。

特征模式(CMA)求解

CMA是一种通过数值方法计算导体上(如:手机、飞行器、车辆等)可支持的一系列正交电流模式(类似于波导模式)的方法。它提供了系统的计算方法,能够帮助工程师从物理角度更加直观地理解天线的工作原理、确定特定模式的谐振频率以及最佳的馈电位置。

有限大阵列快速求解技术

采用了基于域格林函数(DGFM)方法的全新快速阵列求解器,可用于大型有限尺寸的天线阵列快速分析。用户可以通过预选从不同的设置中更便捷地定义有限大的天线阵列,例如:线性阵列、平面阵列、圆形/圆柱形阵列,同时还支持自定义阵列等。

增强线缆束建模功能

引入了新的线缆原理图编辑器(Cable schematic View),提供了丰富的线缆类型(单线、双绞线、排线、同轴线以及任意复杂线束),支持复杂线缆束的自动捆绑(Auto bunding)功能,支持编织网结构屏蔽层等。