FEKO教案1.docx
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FEKO教案1
FEKO1
一、简介
FEKO是美国EMSS公司推出的一款针对天线设计、天线布局与电磁兼容性分析的专业电磁场分析软件。
FEKO是以矩量法(MOM)为基础,采用多层快速多极子算法(MLFMM),并与物理光学法(PO)、一致性绕射理论(UTD)等高频电磁分析方法相结合,在保证计算精度的同时,大大提高了计算速度,可以分析电大尺寸结构的电磁辐射、散射、EMC等确定性问题。
FEKO特点:
具有多种算法可供选择,比如求解电小结构的天线,FEKO可以采用完全的矩量法进行分析;对于具有电小与电大尺寸混合结构,既可以采用多层快速多极子,也可以采用混合算法——采用矩量法分析电小结构部分,而用高频方法分析电大结构部分。
网址:
http:
//www.feko.info
FEKO软件的界面包括CADFEKO、EDITFEKO、POSTFEKO,软件模块包括PREFEKO、FEKO、OPTFEK和OTIMEFEKO。
CADFEKO主要用于创建几何模型,进行网格划分以及进行求解设置。
本课程中,重点对CADFEKO建立模型和网格,并在POSTFEKO中输出可视化结果的过程进行学习。
更多其他模块的使用方法请参考用户使用手册。
二、操作界面
CADFEKO的用户界面包括工具条、建模窗口、工程树、快捷工具、细节窗口和消息窗口。
菜单工具
工具按钮
工程树窗口
绘图窗口
三、建模仿真过程
1、建立工程文件和保存
在CADFEKO中新建和保存后生成*.cfx文件(原始模型文件,包括几何模型、网格、求解设置、优化设置),*.cfm文件(保存网格数据)和*.pre文件(PREFEKO输入文件)。
运行PREFEKO又会生成*.fek文件(求解模型信息)。
运行FEKO后,又会生成*.bof(图形数据)和*.out(ASCII形式的结果文件)
2、基本参数设置
设置单位通过选择菜单Model-Modelunit进行设置。
系统默认的是cm。
偏好设置中,可以在菜单Option-Colour中选择例如背景颜色。
3、建模
早期版本的FEKO软件采用的是卡片编辑生成模型的方法,随着人们对可视化建模需求增加,逐渐发展起了CADFEKO模块。
不过至今,CADFEKO中仍然保留着文本编辑建模(EDITEKO),可以方便的对后缀名.pre的文件进行修改。
建立基本模型的方法与HFSS类似,基本类型包括线、面和体。
建立的操作都是通过菜单Geometry进行或者点击相应的工具按钮。
线结构
面结构
体结构
如果要建立一个实体,在菜单Geometry-Solid菜单包含创建立方体、喇叭体、球体、圆柱体或椎体。
以立方体为例进行介绍。
在DefinitionMethod中可以选择建立立方体的方法,第一种是提供顶点起始坐标,长、宽和高。
随即要在下方的BaseConer处输入参考坐标系UVN的坐标值,参考坐标系可以在Workplane标签页进行设置。
默认参考坐标系与原坐标系相同。
依次输入顶点坐标(0,0,0),长(10),宽(20),高(30),名字为默认的Cuboid1,并点击Creat创建。
FEKO采用连续创建模式,对话框不会自动关闭,可以紧接着建立第二个立方体。
第二种方法是提供面中点坐标,长、宽和高。
采用这样的方法可以更方便的建立以该点为中心的立方体。
可以在Workplane中改变参考坐标系,看看发生的变化。
U不变,将V修改为(0,-1,0),这时立方体的大小没有发生改变,宽向-y方向延伸,因为UVN满足右手定则,高向-z方向延伸。
在该标签页下,还可以完成旋转操作。
在Rotateworkplane中选择旋转轴,点击一次相应发生旋转90度的操作。
比如选择绕v轴旋转90度可以得到以下的结果。
基本的视图操作:
旋转:
鼠标左键+滑动鼠标
放大:
滚轮
平移:
按滚轮+活动鼠标
FEKO中也包含非常多的基本模型变换操作,以生成更加复杂的一些结构。
这里介绍一下Sweep操作。
例如建立一个螺旋弹簧,其横截面为5mm的圆,高度为100mm,5圈。
首先要在起始位置建立圆形(横截面),从菜单选择建立圆形操作。
圆心坐标为(0,30,0),为了使其横截面在yoz平面里,绕y轴旋转90°。
又或者,改变U向量为(0,0,-1)。
接下来需要规定横截面运动的轨迹,这条轨迹为螺旋线,FEKO有生成螺旋线的命令(Helix)。
借助这个命令,调整起始点为(0,30,0),生成满足条件的螺旋线。
注意,起始点默认为x轴,此时需要在Worplane中绕z轴旋转90°。
接下来,右键点击工程树中的圆,选择Apply-PathSweep操作。
弹出的对话框要求选择路径,因此在工程树中选择Helix1,然后Create。
注:
当两个物体相互遮挡的时候,可以在工程树中右键打开快捷菜单,选择View/Hide操作。
另外一类最常使用的操作被成为布尔操作,以substract具体的操作为:
首先选择toolparts(工具),然后从快捷菜单中选择Apply-Substractfrom。
当提示选择下一个物体时(blankparts),选择被减去的对象。
在设置模型材料的时候,由于FEKO没有默认的材料库,需要首先手动建立一种材料。
右键点击工程树Media可以建立介质,金属等材料。
例如建立PCB常用的环氧玻璃布介质,需要在接下来的对话框中填写相对介电常数、损耗角正切等参数。
任何新建工程中,Media中有默认的有理想电导体、理想磁导体和真空。
建立一种新的材料成功后,工程树中的Media下会增加一项。
在FEKO中,默认物体的颜色由材料决定。
因此设置物体的颜色设置是在材料属性设置中完成的。
右键单击材料,选择changedisplaycolour。
设置好材料属性和颜色以后,就可以在工程树中选择物体对象,在下方的详细属性对话框中,右键快捷菜单中Regins-Properties设置其材料了。
下面还是以中心工作频率2.45GHz的对称振子天线为例,对接下来的端口设置、求解设置和可视化输出进行介绍。
注意求同存异共谋发展。
1、新建并保存工程名为dipole。
2、设置模型的长度单位为mm。
3、建模
矩量法是基于网格和边的,可以求解无线细的理想天线模型,因此可以用一条线作为对称振子模型。
将振子沿z轴放置,振子长度设置为60mm。
4、端口与求解设置
接下来进行端口设置,因为端口的优先级较材料要高,在建立的线中央直接设置端口和激励是可行的,这与HFSS中的操作存在较大的不同。
在工程树中单击选择Line1,在下方的详细属性窗口中Edge下右键选择Wire1,弹出的快捷菜单中选择Createport-Wireport。
在接下来的对话框中,Locationonwire选择Middle,点击Create。
成功建立端口后会在线中部出现红灰蓝相间的标记。
紧接着我们在端口上添加电压源激励。
方法是右键点击工程树的Solution-Excitation,在快捷菜单中选择Voltagesource并在稍后弹出的对话框点击Create创建电压激励。
接下来对求解参数进行设置,首先就是中心频率设置。
右键选择工程树的Solution-Frequency-Setfrequency。
求解频率对话框中,选择Linearlyspaceddiscretepoints,设置起始频率为2GHz,终止频率为3GHz,频率点个数为21个。
点击OK键确认。
为了生成最终的辐射场结果,需要双击工程树工程树Solution-Calculation-currents,弹出的对话框中保留所有模型上的电流。
与HFSS中一样,远场的求解需要指定远场的范围,即φ,θ的取值范围。
在工程树中用右键点击Calculation-Requestfarfields,在对话框中设置整个空间。
接下来,同样的方法添加S-parameters求解项。
注:
FEKO中默认采用MOM法求解。
由于此时导体上刨分段的电流幅度相位是需要求解的未知量,因此求解空间已经局限于导体表面,未知量的个数由刨分段的数量决定,也就不用设置空气腔来限定求解变量的规模。
刨分设置在FEKO中是非常重要的一环,很多情况下,不是模型建立有问题而是网格刨分设置有问题导致的结果不正确。
刨分规则:
刨分越精细,求解结果约精确,但是求解规模约大,求解时间越长。
关于刨分的规则,FEKO用户手册中给出了如下的参考值。
线段长(wiresegmentlength):
一般小于十分之一自由空间波长。
三角形边长(triangleedgelength):
一般小于六分之一自由空间波长。
如果内存允许,最好是小于九分之一波长。
四面体边长(tetrahedraedgelength):
小于十五分之一自由空间波长。
线半径(Wiresegmentradius):
小于五分之一线段长。
对模型进行刨分的操作通过菜单Mesh-CreateMesh开启,在文本框中输入刨分的长度。
如果工作频率/带宽已经设定,那么可以通过点击Suggest按钮自动填充建议值。
最后点击Create生成网格数据。
至此模型建立、端口设置与求解设置结束,我们可以在工程树中检查一下有什么没有添加的。
没有问题就可以开始仿真分析了,从菜单中选择Run-FEKO。
提示Finished表示分析完成
===================分割线==================
5、结果可视化输出
仿真结束,结果数据已经生成,但是CADFEKO中没有集成结果可视化输出功能。
完成可视化输出的是另一个功能模块——POSTFEKO。
可在CADFEKO工具栏中点击按钮
启动POSTFEKO模块。
(1)点击上方的
按钮,生成散射参数。
左侧Frequency框选所有频率,得到反射系数的模值随频率变化的曲线。
利用左侧的图形设置按钮可以调整图形的线宽、标题、字体等等。
(2)点击左侧
按钮,可以生成天线的3D方向图。
(3)点击左侧
按钮,可以生成电流幅度分布。
Cutplan
按钮可以切开一半进行观察。