基于FEKO仿真的天線設(shè)計和EMI設(shè)計的挑戰(zhàn)

FEKO助力大量工業(yè)領(lǐng)域的OEM廠商及其供應(yīng)商解決其在產(chǎn)品設(shè)計、分析和測試驗證過程中遇到的EMC問題。通過使用FEKO等仿真工具，減少了試制樣品的數(shù)量和測試的次數(shù)，將傳統(tǒng)的以測試驅(qū)動的開發(fā)流程轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑抡骝?qū)動設(shè)計。FEKO在EMC/EMI領(lǐng)域的重要應(yīng)用包括了電磁輻射、電磁抗干擾、雷電效應(yīng)、高強度輻射場（HIRF）、電磁脈沖（EMP）、電磁屏蔽、電磁輻射危害以及天線耦合等。

天線布局

在自由空間中進(jìn)行天線仿真時，有多種技術(shù)可選。在實際應(yīng)用中，這樣的天線被安裝在實體結(jié)構(gòu)上，嚴(yán)重影響天線的自由空間輻射特性。對于安裝在大型平臺上的天線，測量其輻射特性非常困難，有時甚至無法測量。因此，進(jìn)行精確仿真的挑戰(zhàn)是，天線與大型電子環(huán)境的交互。多年來，F(xiàn)EKO 在天線布局方面已經(jīng)贏得良好聲譽，成為車輛、飛機(jī)、衛(wèi)星、輪船、蜂窩基站、塔、建筑及其他地點的天線布局的標(biāo)準(zhǔn) EM 仿真工具。MLFMM 和 FEKO 中的漸進(jìn)求解器（PO、RL-GO 和 UTD）以及模型分解共同作用，使 FEKO 成為解決大型或超大型電子平臺上天線布局和共址干擾問題的理想工具。

戰(zhàn)斗機(jī)和輪船上的天線布局（表面電流如圖顯示）

FEKO仿真

基于平臺上多天線間的隔離度問題（圖1）是FEKO最擅長處理的問題之一。該飛機(jī)模型是EMC計算電磁學(xué)（CEMEMC）專題研討會上展示的一個測試模型，屬于EV55（屬于HIRF-SE FP7 EU項目，EVEKTOR，spol.s r.o.和HIRF SE聯(lián)盟擁有其版權(quán)）的變形版本。用戶只需要根據(jù)求解問題的類型、電尺寸大小和復(fù)雜度等來選擇FEKO中的一種求解器進(jìn)行計算。FEKO中快速計算天線間互耦的一種方法是通過S參數(shù)，用戶可以在不重復(fù)啟動求解器的情況下通過一次計算可視化顯示天線負(fù)載的變化對天線間耦合的影響，直觀顯示大量天線端口的耦合并繪制共址干擾矩陣來識別和分析耦合強度的等級。此外，F(xiàn)EKO的模型分解技術(shù)結(jié)合天線等效、EMC等效騷擾源可以降低對計算資源的需求。

圖1：由FEKO仿真得到飛機(jī)在1GHz時的內(nèi)外空間磁場強度分布

EMI設(shè)計的挑戰(zhàn)

用FEKO來解決EMI問題的案例非常多。例如，從車輛電纜束的輻射場耦合到擋風(fēng)玻璃天線（和到其它形式的天線），這也與汽車行業(yè)的CISPR-25 EMC測試標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)（CISPR是無線電干擾國際特別委員會，也是國際廣播電臺國際特別委員會）。噪聲信號會通過車輛內(nèi)不同的線纜傳播，這些線纜的輻射場會耦合到不同的天線中，從而降低模擬或數(shù)字廣播類系統(tǒng)的性能。為解決這個問題，F(xiàn)EKO包含了一個完整的綜合線纜建模工具來分析線纜的輻射（和抗干擾）。這個工具與專門為真實風(fēng)窗天線應(yīng)用開發(fā)的風(fēng)窗天線建模與求解技術(shù)適合于分析和解決這些挑戰(zhàn)（圖2）。圖2b給出了車左側(cè)與右側(cè)10米遠(yuǎn)處兩個位置的輻射電場，每一個位置點包括了仿真得到的垂直和水平極化場強值。

圖2：含風(fēng)窗天線的車模，線束和引擎控制單元（ECU）的等效源（a）和車左右10米處的近場電場強度仿真結(jié)果和基于測量系統(tǒng)搭建的仿真模型（b）

獨特的性能

FEKO易于使用，并具有全面、準(zhǔn)確、可靠、完全并行化、支持真正混合求解的求解器集合，包含矩量法（MoM）、多層快速多極子（MLFMM）、有限元（FEM）、時域有限差分（FDTD）、物理光學(xué)/大面元物理光學(xué)法（PO/LE-PO），射線幾何光學(xué)（RL-GO）和一致性繞射理論（UTD）等。這些求解器已廣泛用于天線設(shè)計和天線布局、EMC、雷達(dá)散射截面（RCS）、生物電磁、天線罩、射頻器件等問題的仿真。根據(jù)求解問題的電尺寸和問題的復(fù)雜度，只需選擇使用這一個或另一個求解器。FEKO的綜合電纜建模工具解決了涉及復(fù)雜電纜的EMC問題。FEKO用于電纜分析的特殊算法是多導(dǎo)體傳輸線法（MTL）和MoM/MTL混合法，后者適用于電纜下方地面不連續(xù)時的分析場景。FEKO作為Altair HyperWorks計算機(jī)輔助工程平臺的一部分，帶來了一系列額外的差異化功能，由于Altair獨特的授權(quán)系統(tǒng)，無需額外的成本就可以利用這些功能。借助于業(yè)內(nèi)最著名的有限元分析前處理器模塊HyperMesh，能夠減少復(fù)雜CAD模型清理（含自動清理）和網(wǎng)格剖分的時間；使用HyperStudy，F(xiàn)EKO用戶可以采用實驗設(shè)計方法(Design of Experiments)來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，包含其它物理特性分析；使用activate可以進(jìn)行電路（如DC/DC轉(zhuǎn)換器）的設(shè)計與分析。

天線設(shè)計

FEKO?在工業(yè)中廣泛應(yīng)用于天線的分析和設(shè)計，適用于電臺和電視廣播、無線系統(tǒng)、蜂窩移動通信系統(tǒng)、遙控?zé)o匙開鎖系統(tǒng)、輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)、衛(wèi)星定位和通信、雷達(dá)、RFID 等領(lǐng)域。FEKO 矩量法 (MoM) 求解器廣泛用于天線設(shè)計，此外，由于這款軟件不僅具有模型分解功能（生成和使用等效源），還結(jié)合了多層快速多極子算法 (MLFMM) 等全波加速方法，或物理光學(xué) (PO)、射線尋跡幾何光學(xué) (RL-GO) 或一致性繞射理論 (UTD) 等漸近方法，因此可以高效地對反射面天線、雷達(dá)天線和配有天線罩的天線進(jìn)行分析。FEKO 還具備適合大型有限陣列的域格林函數(shù)法 (DGFM) 等功能，因此，還能準(zhǔn)確、高效地對天線陣列進(jìn)行分析。

頻率為 1.5 GHz 的 2x2 微帶貼片天線陣列上的電流

電磁兼容性

電磁兼容性 (EMC) 已經(jīng)成為眾多行業(yè)內(nèi)的 OEM 及其供應(yīng)商關(guān)注的一個熱點話題。將組件和設(shè)備集成到系統(tǒng)中而不出現(xiàn)電磁問題非常重要，同樣重要的是符合 EMC 相關(guān)法規(guī)。多年以來，F(xiàn)EKO?應(yīng)用于 EMC，對電磁干擾 (EMI) 和電磁敏感度或抗擾性 (EMS) 等相關(guān)問題進(jìn)行仿真。FEKO 包括完整的電纜建模工具，以分析電纜與其他電纜、天線或設(shè)備之間產(chǎn)生的輻射，這些輻射可導(dǎo)致干擾電壓和電流的形成，并引起系統(tǒng)的故障。FEKO 也用于仿真系統(tǒng)中電子控制單元 (ECU) 的輻射發(fā)射、屏蔽效能、輻射危害分析、電磁脈沖 (EMP)、光照效果和高強度輻射場 (HIRF)。

FEKO 中的電纜建模界面

散射和 RCS

當(dāng)物體暴露于入射電磁場時，物體的散射特性與散射能量的空間分布有關(guān)。散射非常重要的兩個典型案例：設(shè)計檢測物體的系統(tǒng)時，如碰撞檢測系統(tǒng)；以及設(shè)計物體以增加或減少發(fā)送器對其檢測能力，如隱形飛機(jī)的設(shè)計。FEKO?的多種數(shù)字方法包括 MLFMM、RL-GO 和 PO，以及其后處理功能可以高效并準(zhǔn)確地解決散射和雷達(dá)有效截面 (RCS) 問題。

直升機(jī)的 RCS 強度視圖

波導(dǎo)組件和微帶電路

自首次實現(xiàn)空間通信后，波導(dǎo)廣泛應(yīng)用于國防、航空航天、航海和通信行業(yè)中，用于諸如耦合器、濾波器、循環(huán)器、隔離器、放大器和衰減器等組件。FEKO?可用于波導(dǎo)組件的仿真，通常使用波導(dǎo)端口勵磁和 FEKO 的 MoM 以及有限元方法 (FEM) 求解器。

微帶技術(shù)用于設(shè)計平面電路，如耦合器、共振器和濾波器。當(dāng)電路跡長可以與波長比較時，使用全波 3D EM 分析。FEKO 中的平面分層格林函數(shù)和表面等效原理 (SEP) 公式非常適于分析印制微波電路。

由波導(dǎo) Delta 驅(qū)動的 WR-90 magic-T 耦合器上的仿真場

生物電磁學(xué)

EM 仿真在生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展中起到了重要作用，仿真可以為人體內(nèi)或接近人體的電磁場相互作用提供有價值的參考。由于生物組織易損耗的本質(zhì)，發(fā)射器設(shè)計通常都側(cè)重于保證放射足夠的信號并且信號不在解剖載荷中丟失，同時符合在人體中限制比吸收率和最大溫度增加值的規(guī)則。典型應(yīng)用與移動和無線設(shè)備、汽車內(nèi)的 RF 場、助聽器、人體佩戴天線、MRI（核磁共振）、種植體、降低體溫等相關(guān)。FEKO?中的 FEM、時域有限差分法和 MoM/FEM 方法非常適于這些應(yīng)用。FEKO 包括一個由不同人體模型組成的數(shù)據(jù)庫。

對于在汽車中佩戴袖珍收音機(jī)模型的 SAR 計算

匹配電路設(shè)計

天線設(shè)計工程師一項重要的任務(wù)就是確保帶寬和效率符合技術(shù)規(guī)范?？梢酝ㄟ^改變天線的物理結(jié)構(gòu)或使用匹配的電路來實現(xiàn)。Optenni Lab?由 Optenni 有限公司開發(fā)，可以通過 Altair 銷售渠道購得。該工具提供全自動匹配電路生成和優(yōu)化程序。用戶只需指定所需的頻率范圍和匹配電路中的構(gòu)件數(shù)量，之后由 Optenni Lab 提供優(yōu)化匹配電路的拓?fù)溥x擇。Optenni Lab 使用來自主要的構(gòu)件生產(chǎn)商提供的精確電感和電容器模型，并進(jìn)行快速的公差分析以確保生產(chǎn)的匹配電路符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，使之成為FEKO理想的補充。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

天線綜合工具

Antenna Magus 是一款來自 Magus (Pty) 有限公司的天線合成工具，通過 Altair 銷售渠道可以購得。它提供一大批可供搜索的天線，可以在其中找到并設(shè)計符合用戶規(guī)范的天線?？神R上運行的?FEKO?模型可以被導(dǎo)出，使 Antenna Magus 成為與 FEKO 互補的一個理想工具。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??參考論文：FEKO在直升機(jī)天線布局中的應(yīng)用

電磁仿真軟件FEKO具有強大的電磁場計算分析能力。以直升機(jī)載航管應(yīng)答天線和無線電高度表天線為例,研究了FEKO在直升機(jī)天線布局設(shè)計中的應(yīng)用,給出了FEKO中的模型建立方法,通過仿真計算天線輻射方向圖和隔離度及其分析,說明FEKO可完成天線布局的優(yōu)化設(shè)計。研究中的試驗測量結(jié)果與仿真計算結(jié)果基本吻合,驗證了FEKO進(jìn)行直升機(jī)天線布局仿真方法的合理性和可行性。

編輯：黃飛