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微波高频

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天线布局:利用FEKO仿真的解决方案
2021-03-09
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FEKO助力大量工业领域的OEM厂商及其供应商解决其在产品设计、分析和测试验证过程中遇到的EMC问题。通过使用FEKO等仿真工具,减少了试制样品的数量和测试的次数,将传统的以测试驱动的开发流程转变为以仿真驱动设计。FEKO在EMC/EMI领域的重要应用包括了电磁辐射、电磁抗干扰、雷电效应、高强度辐射场(HIRF)、电磁脉冲(EMP)、电磁屏蔽、电磁辐射危害以及天线耦合等。

天线布局

在自由空间中进行天线仿真时,有多种技术可选。在实际应用中,这样的天线被安装在实体结构上,严重影响天线的自由空间辐射特性。对于安装在大型平台上的天线,测量其辐射特性非常困难,有时甚至无法测量。因此,进行精确仿真的挑战是,天线与大型电子环境的交互。多年来,FEKO 在天线布局方面已经赢得良好声誉,成为车辆、飞机、卫星、轮船、蜂窝基站、塔、建筑及其他地点的天线布局的标准 EM 仿真工具。MLFMM 和 FEKO 中的渐进求解器(PO、RL-GO 和 UTD)以及模型分解共同作用,使 FEKO 成为解决大型或超大型电子平台上天线布局和共址干扰问题的理想工具。

战斗机和轮船上的天线布局(表面电流如图显示)

战斗机和轮船上的天线布局(表面电流如图显示)

FEKO仿真

基于平台上多天线间的隔离度问题(图1)是FEKO最擅长处理的问题之一。该飞机模型是EMC计算电磁学(CEMEMC)专题研讨会上展示的一个测试模型,属于EV55(属于HIRF-SE FP7 EU项目,EVEKTOR,spol.s r.o.和HIRF SE联盟拥有其版权)的变形版本。用户只需要根据求解问题的类型、电尺寸大小和复杂度等来选择FEKO中的一种求解器进行计算。FEKO中快速计算天线间互耦的一种方法是通过S参数,用户可以在不重复启动求解器的情况下通过一次计算可视化显示天线负载的变化对天线间耦合的影响,直观显示大量天线端口的耦合并绘制共址干扰矩阵来识别和分析耦合强度的等级。此外,FEKO的模型分解技术结合天线等效、EMC等效骚扰源可以降低对计算资源的需求。

图1:由FEKO仿真得到飞机在1GHz时的内外空间磁场强度分布

图1:由FEKO仿真得到飞机在1GHz时的内外空间磁场强度分布

EMI设计的挑战

用FEKO来解决EMI问题的案例非常多。例如,从车辆电缆束的辐射场耦合到挡风玻璃天线(和到其它形式的天线),这也与汽车行业的CISPR-25 EMC测试标准相关(CISPR是无线电干扰国际特别委员会,也是国际广播电台国际特别委员会)。噪声信号会通过车辆内不同的线缆传播,这些线缆的辐射场会耦合到不同的天线中,从而降低模拟或数字广播类系统的性能。为解决这个问题,FEKO包含了一个完整的综合线缆建模工具来分析线缆的辐射(和抗干扰)。这个工具与专门为真实风窗天线应用开发的风窗天线建模与求解技术适合于分析和解决这些挑战(图2)。图2b给出了车左侧与右侧10米远处两个位置的辐射电场,每一个位置点包括了仿真得到的垂直和水平极化场强值。

图2:含风窗天线的车模,线束和引擎控制单元(ECU)的等效源(a)和车左右10米处的近场电场强度仿真结果和基于测量系统搭建的仿真模型(b)

图2:含风窗天线的车模,线束和引擎控制单元(ECU)的等效源(a)和车左右10米处的近场电场强度仿真结果和基于测量系统搭建的仿真模型(b)

独特的性能

FEKO易于使用,并具有全面、准确、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)、多层快速多极子(MLFMM)、有限元(FEM)、时域有限差分(FDTD)、物理光学/大面元物理光学法(PO/LE-PO),射线几何光学(RL-GO)和一致性绕射理论(UTD)等。这些求解器已广泛用于天线设计和天线布局、EMC、雷达散射截面(RCS)、生物电磁、天线罩、射频器件等问题的仿真。根据求解问题的电尺寸和问题的复杂度,只需选择使用这一个或另一个求解器。FEKO的综合电缆建模工具解决了涉及复杂电缆的EMC问题。FEKO用于电缆分析的特殊算法是多导体传输线法(MTL)和MoM/MTL混合法,后者适用于电缆下方地面不连续时的分析场景。FEKO作为Altair HyperWorks计算机辅助工程平台的一部分,带来了一系列额外的差异化功能,由于Altair独特的授权系统,无需额外的成本就可以利用这些功能。借助于业内最著名的有限元分析前处理器模块HyperMesh,能够减少复杂CAD模型清理(含自动清理)和网格剖分的时间;使用HyperStudy,FEKO用户可以采用实验设计方法(Design of Experiments)来进行优化设计,包含其它物理特性分析;使用activate可以进行电路(如DC/DC转换器)的设计与分析。

天线设计

FEKO 在工业中广泛应用于天线的分析和设计,适用于电台和电视广播、无线系统、蜂窝移动通信系统、遥控无匙开锁系统、轮胎压力监测系统、卫星定位和通信、雷达、RFID 等领域。FEKO 矩量法 (MoM) 求解器广泛用于天线设计,此外,由于这款软件不仅具有模型分解功能(生成和使用等效源),还结合了多层快速多极子算法 (MLFMM) 等全波加速方法,或物理光学 (PO)、射线寻迹几何光学 (RL-GO) 或一致性绕射理论 (UTD) 等渐近方法,因此可以高效地对反射面天线、雷达天线和配有天线罩的天线进行分析。FEKO 还具备适合大型有限阵列的域格林函数法 (DGFM) 等功能,因此,还能准确、高效地对天线阵列进行分析。

频率为 1.5 GHz 的 2x2 微带贴片天线阵列上的电流

频率为 1.5 GHz 的 2x2 微带贴片天线阵列上的电流

电磁兼容性

电磁兼容性 (EMC) 已经成为众多行业内的 OEM 及其供应商关注的一个热点话题。将组件和设备集成到系统中而不出现电磁问题非常重要,同样重要的是符合 EMC 相关法规。多年以来,FEKO 应用于 EMC,对电磁干扰 (EMI) 和电磁敏感度或抗扰性 (EMS) 等相关问题进行仿真。FEKO 包括完整的电缆建模工具,以分析电缆与其他电缆、天线或设备之间产生的辐射,这些辐射可导致干扰电压和电流的形成,并引起系统的故障。FEKO 也用于仿真系统中电子控制单元 (ECU) 的辐射发射、屏蔽效能、辐射危害分析、电磁脉冲 (EMP)、光照效果和高强度辐射场 (HIRF)。

FEKO 中的电缆建模界面

FEKO 中的电缆建模界面

散射和 RCS

当物体暴露于入射电磁场时,物体的散射特性与散射能量的空间分布有关。散射非常重要的两个典型案例:设计检测物体的系统时,如碰撞检测系统;以及设计物体以增加或减少发送器对其检测能力,如隐形飞机的设计。FEKO 的多种数字方法包括 MLFMM、RL-GO 和 PO,以及其后处理功能可以高效并准确地解决散射和雷达有效截面 (RCS) 问题。

直升机的 RCS 强度视图

直升机的 RCS 强度视图

波导组件和微带电路

自首次实现空间通信后,波导广泛应用于国防、航空航天、航海和通信行业中,用于诸如耦合器、滤波器、循环器、隔离器、放大器和衰减器等组件。FEKO 可用于波导组件的仿真,通常使用波导端口励磁和 FEKO 的 MoM 以及有限元方法 (FEM) 求解器。

微带技术用于设计平面电路,如耦合器、共振器和滤波器。当电路迹长可以与波长比较时,使用全波 3D EM 分析。FEKO 中的平面分层格林函数和表面等效原理 (SEP) 公式非常适于分析印制微波电路。

由波导 Delta 驱动的 WR-90 magic-T 耦合器上的仿真

由波导 Delta 驱动的 WR-90 magic-T 耦合器上的仿真

生物电磁学

EM 仿真在生物医学技术的发展中起到了重要作用,仿真可以为人体内或接近人体的电磁场相互作用提供有价值的参考。由于生物组织易损耗的本质,发射器设计通常都侧重于保证放射足够的信号并且信号不在解剖载荷中丢失,同时符合在人体中限制比吸收率和最大温度增加值的规则。典型应用与移动和无线设备、汽车内的 RF 场、助听器、人体佩戴天线、MRI(核磁共振)、种植体、降低体温等相关。FEKO 中的 FEM、时域有限差分法和 MoM/FEM 方法非常适于这些应用。FEKO 包括一个由不同人体模型组成的数据库。

对于在汽车中佩戴袖珍收音机模型的 SAR 计算


对于在汽车中佩戴袖珍收音机模型的 SAR 计算

匹配电路设计

天线设计工程师一项重要的任务就是确保带宽和效率符合技术规范。可以通过改变天线的物理结构或使用匹配的电路来实现。Optenni Lab 由 Optenni 有限公司开发,可以通过 Altair 销售渠道购得。该工具提供全自动匹配电路生成和优化程序。用户只需指定所需的频率范围和匹配电路中的构件数量,之后由 Optenni Lab 提供优化匹配电路的拓扑选择。Optenni Lab 使用来自主要的构件生产商提供的精确电感和电容器模型,并进行快速的公差分析以确保生产的匹配电路符合设计标准,使之成为FEKO理想的补充。

天线综合工具

Antenna Magus 是一款来自 Magus (Pty) 有限公司的天线合成工具,通过 Altair 销售渠道可以购得。它提供一大批可供搜索的天线,可以在其中找到并设计符合用户规范的天线。可马上运行的 FEKO 模型可以被导出,使 Antenna Magus 成为与 FEKO 互补的一个理想工具。

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