FEKO中文手册第五章

5 在CADFEKO中定义求解配置。

利用CADFEKO 2,我们可以建立模型并且得到其在CADFEKO中的完全解。

对于高级用户而言，EDITFIKO 提供了关于求解的更多控制（见5.12节）。

但是，需要注意的是，我们不能在CADFEKO和EDITFEKO中同时控制求解。

一旦*.pre文件在CADFEKO之外定义或编辑，那么在CADFEKO中的求解配置选项就不能再使用了。

通过选择主菜单中Solution →Enable solution configuration，可以重新使用CADFEKO设置，只是在*.pre文件中的用户设置将会被忽略。

5.1使用绝缘耗散媒质
在模型中，须要在使用媒质之前定义它们。

模型中的绝缘体由在相应几何体区域中设置Dielectric媒质来确定。

传导损耗是由传导表面是用户定义的金属媒质构成造成的。

表面覆盖层和薄的绝缘层由用户定义的Layered dielectrics在模型表面确定。

Layered dielectrics是由多个单一绝缘层构成的。

在某些情况下我们只知道表面的平均表面阻抗，这时表面可以被看作是一个阻抗层（Impedance sheet）。

用户定义的媒质列举在目录树的Media下。

每种类型都被单独列出来，只是须要使得媒质名称是全局唯一的并且不超过43个字符。

每个选项旁边的颜色标志表明了使用哪种颜色来表示在3D视图和明细树形结构中的媒质（见3.4.2节）。

我们可以通过每种媒质的弹出菜单中Change display color项来修改颜色设置。

（选择的颜色设置保存在*.cfs 文件中）前三个选项分别是良电导体，良磁导体（目前只在设置导磁地平面时使用）和自由空间。

自由空间不能编辑也不能删除。

虽然单一阻抗层严格来说不能看作是一种介质，但是用户定义的阻抗层也在树形结构的Media项下列举了出来。

这时可以像其他介质那样定义、应用和显示阻抗层。

绝缘介质可以在树形结构中重命名，也可以在其相应的属性对话框中修改。

所做的修改将会体现在所有应用绝缘介质的实例中。

如果在其他项目中没有使用绝缘介质，那么删除介质也可以。

5.1.1 绝缘媒质
绝缘媒质能应用在区域中（见5.2.1节），也能用于构建Layered dielectrics和planar substrate。

通过在树形结构的媒质工具栏中右键单击Media然后选择Create dielectric medium 就可以建立绝缘介质，或者是在主菜单中选择Model→Add medium→Dielectric。

和在树形结构中重命名一样，我们也可以在Create dielectric medium对话框中的Name栏中修改名称。

绝缘媒质的定义取决于以下四项：相对介电常数，相对磁导率, 磁损因子tan,
和介质损耗因子.损耗因子和电导率都能定义绝缘损耗，但是有不同的频率特性，
要根据不同的问题作不同的选择。

例如，低损耗绝缘基板使用损耗因子，而人体组织（在特殊的吸收率研究中）则使用电导率。

物质密度仅在特殊的吸收率计算时使用，但是它也须指定并且其值大于0.在所有这些选项框中都可以使用表达式。

有效介电常数由下式给出：
或
有效permeability为
5.1.2 金属介质
传导（趋肤效应）损耗通过设置相关表面媒质为金属来指定。

（在包层良导体区域的表面上不能这样操作。

）在Media工具栏中，右键单击结构树中的Media项然后选择Create metallic medium，就可以创建金属媒质。

也可以通过在主菜单中选择Model→Add medium→Metallic来实现。

注意我们不能把实体区域设置成金属媒质。

这种情况下要想有效建模，须要把实体内部区域设置成自由空间并且把表面设置成厚的金属媒质。

这里的“厚”指的是表面厚度要远大于趋肤深度。

（见5.2.2节）
金属媒质由电导率，相对磁导率和磁损因子tan决定。

在本手册中，传导媒质一词主要指金属媒质或者是良导体。

5.1.3分层绝缘体
自由空间区域之间的表面可以标记为薄的绝缘层或是包层导体。

可以使用用户定义的分层绝缘体媒质来实现。

分层绝缘体媒质由任意数目的具有特定厚度的绝缘层构成。

注意在定义分层绝缘体之前就要定义由绝缘媒质构成的各种层结构。

建立分层绝缘体对话框包含一个表格，表格中有关于每一层的厚度和媒质选项域。

在Media项下只有Dielectric media可用。

点击Add按钮在当前选择的层之后添加一个新的层，点击Remove删除当前层。

因此可以在任意两层之间插入新的层。

在Thickness栏可以使用表达式。

根据选择的解法，包层和薄的绝缘层必须要在几何尺度和电尺度两方面都足够薄。

如果设置接近厚度限值CADFEKO将给出警告，如果超出了厚度限值CADFEKO将给出出错信息。

5.1.4 阻抗层
阻抗层（Impedance sheet）结构用来指定自由空间区域中间表面的表面阻抗。

这些“media”定义了阻抗的实部和虚部。

理论上，在表面上设置合适的金属媒质可以获得相同
的效果，但是在某些情况下，只有表面阻抗是已知的。

5.2设置材料属性
在缺省设置下，所有的单元都是良电导体（通过MoM求解）。

通常在区域，表面和边沿/导线处定义属性。

区域是指列举在详单树形结构中的完全封闭的空间。

只能在详单树形结构中选择某一区域。

一些输入模型利用多个表面部分来定义实体区域的边界。

这些模型没有任何区域也不可能指定实心绝缘体。

尽管如此，如果各个表面部分整合起来构成了封闭的表面，CADFEKO会自动为新的部分构建可用的区域。

Faces是独立的表面部分，它们列举在详情树形结构中。

当面选择处于激活状态时（见 3.6节），可以在详情树形结构中选择面也可以在3D视图中选择。

“face”一词用来区分“surface”，“surface”在CADFEKO中是2D原型，比如一个多边形。

边沿—也列举在详情结构树中—包含表面边沿和自由曲线（也叫做“wires”）.
在可能的地方，媒质属性在进行几何操作的时候是固定不变的。

例如，如果一个表面被切分操作分成两部分，这两个表面会继承父类的属性；或者，如果选择了两个重叠的表面，那么最终选择的这个整体表面将会拥有原来两个表面的共有属性。

如果不能整合父类属性，所选单元会标志为有问题。

5.2.1 区域属性
设置电介质或是自由空间区域的属性，可以通过在弹出菜单中选择一个或多个区域然后单击选择属性项。

这就打开了如图5-1所示的区域属性对话框。

图5-1：区域属性对话框
其中类型栏用来设置媒质类型——对于区域来说可能是良导体，自由空间或是电介质。

把区域设置成自由空间就建立了一个中空结构的网格，把区域设置成良导体则建立了一个实体区域。

当进行几何操作的时候这种区别很明显。

例如，我们可以删除包围自由空间的边界，但是却不能删除包围电介质或是良导体区域的边界。

一些性质只有包围自由空间区域的边界面才有。

Dielectric媒介类型只有在Media列表包含绝缘媒质的时候才可用（见5.1.1节）.打开Region properties 对话框就可以定义绝缘介质——Dielectric 媒质项会立即变为激活状态。

如果类型项是Dielectric，只能在名称列表里选择合适的媒质。

和标签名称必须唯一不同的
是相同的媒质名称可以用于多个区域。

当对有相互冲突材料属性的重叠区域进行操作时，这个区域会被标记为有问题。

初始时，对话框显示的是当前选中单元的状态。

如果选中了复合区域，对所有对话框都不同的属性栏将设置为空。

应用修改时并不会改变属性。

例如，我们可以同时修改多个不同电介质的网格大小。

5.2.2 表面属性
Face properties对话框有两个选项卡:Properties 和Solution，如图5-2. 所有媒质参数都是在Properties选项卡中设置的。

图5-2：表面属性对话框
在表面媒质选项组中Face type栏的设置取决于包围这个表面的两个区域的媒质。

如果表面两侧都是自由空间，那么表面媒质的选项有：良电导体，有损传导表面，阻抗层，薄绝缘层和缺省。

（只有定义了相关媒质才能使用其中的某些项。

）我们将在下面更详细的讨论Default项。

特殊情况下缺省项就是Perfect electric conductor.如果有损传导表面选项选择的是金属媒质，就需要指定媒质的厚度。

注意区域是不能设置为金属媒质的，不过我们可以这样做，把区域的边界表面设置成有损表面并保证表面厚度远大于趋肤深度，
阻抗层是具有特定表面阻抗的无限大薄传导面（------------------）。

如果选择薄绝缘层，媒质栏会列举出所有分层绝缘媒质。

薄绝缘层用来建立像automotive windows这样的平面多层绝缘结构。

如果表面构成了两个绝缘区域的中间边界或是构成了一个绝缘区域和自由空间的中间
边界，表面类型选项就会是缺省，绝缘边界，有损传导表面和良导体。

如果选择了绝缘边界，那么表面表示的是两个不同绝缘区域之间的边界。

有损传导表面和良导体用来定义一个绝缘区域中的传导边界。

例如当在一个有限基底上建立一个贴片天线，侧面和大部分顶面将设置为绝缘边界，贴片和地平面将设置为导电平面。

这里的缺省项为绝缘边界。

如果边界区域两边都是良导体，可选的表面类型项就只有缺省和良导体。

这里的缺省项是良导体。

我们改变边界区域的时候，表面类型的选择是不变的。

这可能会导致无效设置。

例如，如果在一个表面边界上把有损导电边界设置成了自由空间，并且区域两边的边界改变为良导体，那么这样的设置就是无效的。

这些设置正常显示在结构树中，只是在属性对话框中显示三种状态。

（即使是所有选择的表面具有一样的设置）。

这样区域就能设为其他项并能在不改变表面设置的情况下撤销。

在此期间表面会标记为有问题，必须手动设置以消除问题。

当改变边界区域的时候缺省设置也是不变的。

在不同的情况下，为每一种区域组合提供合适的选择。

例如，如果区域是良好导电的，它的边界面也只能是良好导电的。

如果设置为良导体，即使区域改变成绝缘体表面依然是良好导电的。

大多数情况下这是不恰当的。

（拥有封闭良导体边界的绝缘体和良导体本身的性质一样——只是计算时间更长而已）。

尽管这样，如果把良导体区域表面设置为缺省，在区域更改为绝缘体的时候，表面就变为绝缘边界。

注意这就意味着如果一个2D表面（默认为良导体）包围绝缘体时，结果表面会变为绝缘边界。

包层应用在表面两侧。

因此只有表面两边都是自由空间是这项才是可用的。

包层名称在分层媒质列表中选择。

在图5-3中，包1位于外侧。

图5-3 包层应用于导体表面两侧
5.2.3边沿属性
边沿属性对话框，如图5-4，包含设置局部导线半径项（在创建网格对话框中优先使用缺省设置），设置内核媒质和应用包层。

当边沿是导线的时候这些选项才可用，比如边沿不是一个表面的边界时。

图5-4 边沿属性对话框
要是考虑导线的传导损耗，需要设置导线类型为有损导体同时选择金属媒质。

对于包层来说，包层名称从分层绝缘媒质列表中选择，但当前导线只能使用单一包层。

5.2.4设置网格单元属性
应该在几何体上设置理想的属性，因为每当几何体剖分网格的时候，网格就会复制几何体的属性。

网格由几何体的SNAPSHOT创建。

网格剖分后任何几何体（或者几何属性）的改变不会反映在网格上。

然而，由于媒质列表中的项目和媒质设置相关，媒质参数能在网格剖分后改变。

例如，如果剖分了一个几何体区域然后把媒质类型从Teflon变为FR4，网格区域将会沿用Teflon。

尽管如此，如果在网格剖分后把媒介Teflon重命名为Teflon_new,剖分区域就会指Teflon_new. 在网格上设置属性仍然是可能的。

选择需要的单元标签（不是单一元素）接着在主菜单中选择Edit→Properties。

对于TETRAHEDRA只能指定媒质类型。

对于三角形，每条边都要设定媒质类型。

表面媒质和包层属性可以像设置表面那样设置，这里的两个包围媒质是在一个对话框中指定的而不是在单独的区域对话框中。

如果以这种方式修改任何媒质，表面媒质或是覆盖层设置就会变成无效，设置立即变成了TERNARY状态，须要重新更新。

（对输入网格才需要指定网格元素的媒质。

）对线段标签，周围介质可以在网格属性对话框中设定。

线段的内核介质和包层可以像边沿一样设定。

需要注意的是，网格应用的设置不改变任何几何设定。

如果模型重新剖分，这样的设置就会丢失（除非网格先重命名，因为在这种状况下有许多备份或是相互冲突的单元）。

因此不建议在网格上设置网格属性，此时几何体是可用的。

这些工具是为使用输入网格预留的。

5.2.5显示绝缘介质，涂层和薄板
在3D视图工具栏中点击Show/hide geometry objects或是Show/hide mesh控件旁边的向
下箭头（见3.3.7节），选择媒介颜色来显示彩色的绝缘区域。

每个内表面的各侧面根据各侧面的绝缘区域来标色。

对于几何体，区域颜色用在所有外边界的外侧。

但是对于网格来说，外边面按照外侧媒质的颜色来显示（外侧可能是自由空间）。

表面和包层参数在树形结构中用图形来显示（见3.4.2节）。

绝缘区域的表面在树形结构中相应单元的前面用图形来标明。

网格片段可以在3D视图中按它们实际半径显示。

这个半径可以包含包层半径。

点击3D 视图工具栏中Show/hide mesh控件旁边的向下箭头（见3.3.7节）同时保证选中显示片段半径和显示片段包层。

注意隐藏片段半径也就隐藏了涂层半径。

5.3设置频率
选择Solution→Set frequency或是双击在树形结构中Solution项下的Frequency来打开求解频率对话框。

有四个频率范围选项。

单一频率允许设置一个特定的求解频率。

如果选择了连续频率范围，所有需要求解的结果都是在起始到结束频率范围内使用适应抽样计算的。

抽样算法使用优化抽样来使得结果能很快的得到改变从而保证所有的回声效应能精确的计算。

由于所有需要的结果都是INTERPOLA TED,所以最好在使用这种方法的时候，使用尽可能少的结果。

设置最大取样数目限制了解的数目也缩短了运行时间，但是如果没有进行最佳近似，结果很可能会不精确。

最小频率增量（Minimum frequency increment）用来控制FEKO优化频率设置的能力。

如果结果基本是连续的时候是非常有用的。

一般的，用户应该使用这两个选项的缺省设置。

通过使用线性间隔的离散点和Logarithmically离散点，用户可以定义整个频率间隔内固定的间隔点数。

CADFEKO计算并显示增量因子。

当用户知道求解所需的精确频率时经常使用。

5.4总激励源功率
天线的激励经常是复电压，但我们经常只是指定总的辐射功率或源功率。

FEKO因此能测定结果来产生所需的功率大小。

选择Solution→Specify power settings或是在树形结构中的Excitations下双击Power来控制源功率。

注意FEKO使用峰值幅度来表示所有复数值。

这样的话如果没有设置功率比例就必须指定峰值幅度（相对于均方值）。

如果没有选定任何功率比例（power scaling），FEKO利用设置的源幅度来计算结果。

注意平面波是无限延展的，所以具有无限功率。

因此模型包括平面波激励的话，No power scaling项必须选定。

如果选择了Total source power项，FEKO会加和计算结果以使总源功率（多有单一源分配的功率和）和在源功率栏中设定的值相等。

不会考虑失配的情况。

除了平面波外，这个选项可以用于任何激励。

如果选择了Incident power项（传输线模式），我们认为天线是由具有特征阻抗为Z的传输线构成。

源功率选项栏指定为所有传输线的功率和。

当传输线的阻抗和天线的输入阻抗不匹配的时候，一定的功率将会反射回源端。

这就是失配损耗。

这个选项只能用在当模型只包含电压源的情况下。

见图13-29.
FEKO总是会计算所有求解的总源功率。

对于大型的模型或是有许多激励源的模型，计算相互之间的耦合（需要精确计算源功率）将是非常耗时的。

当选中Decouple all sources when calculating power项时，计算源功率将不再考虑相互耦合。

这对于那些在模型中相对距离较远，或距其他结构较远的源来说是合适的；或不要求精确的功率值时也是可以的。

（增益和
方向性系数是基于功率的，因此如果选中该项的话，它们很可能会不精确。

）
5.5独立于几何体的源
5.5.1 平面波
在主菜单中选择Solution→Add excitation→Plane wave，或是在结构树中单击Excitation 项选择Add plane wave来指定平面波激励。

图5-5 入射平面波激励
在球坐标系中，使用角θ和角ψ（角度）来定义入射方向。

用角η来定义极化角，使用角度制单位，→大小是指沿着波传播的方向按照右手螺旋规则从-θ旋转到到极化矢量E0（线极化）或是椭圆长轴的角度（椭圆极化）。

对于椭圆极化，椭圆率选项必须要大于0（线极化），小于或等于1（圆极化）。

平面波源有两种操作模式。

如果选择单入射波，在已有波源中会添加一个平面波源。

可以通过选择多个单一入射波来产生特定的场分布。

如果选择了多个方向循环项，FEKO会对每个特定方向的入射波进行求解。

用户必须对每个直角坐标设定终止角度和角度的步进量。

CADFEKO会根据相应入射方向的数量来进行计算和显示。

注意实际的终止角是由起始角，角度增量和抽样数决定的，可能不会和设定的终止角度完全一致。

当选中多个入射方向进行循环计算的时候，也许入射波源只有一个平面波。

对于每个平面波入射方向，其他所有波源（分别列举在激励项下）都是有效的。

当设置辐射源的时候，入射方向和极化方向会显示在三维视图里。

角度栏可以从三维视图中进行点输入(见3.8节)。

入射场的电场强度由下式给出：
其中v是椭圆率，β0是入射方向，E0是极化矢量。

5.5.2 电偶极子和磁偶极子
在主菜单中选择Solution→Add excitation→Electric point source/Magnetic point source 或是在树形结构中右键单击Excitation项然后选择Electric point source/Magnetic point source来创建增量点源。

在这些对话框中位置和方向选项框也可以是点输入（见3.8节）。

磁场点源可以是一个电流环（大小由环电流和环的面积的乘积决定）或是一个磁流（大小由偶极子长度和磁流的乘积决定）。

环电流和磁流的辐射远场区是一样的，但是辐射电位是不同的。

所以，应该根据不同的应用作不同的选择。

5.5.3 特定模式的点源
在主菜单中选择Solution→Add excitation→Radiation pattern point source或是在树形结构中右键单击Excitation项然后选择Radiation pattern point source来创建具有特定远场模式的点源。

图5-6：电场点源对话框
如果模式（Pattern）控件中的使用全局坐标项没有选中，局部坐标（见3.9节）和创建
几何体时是一样的。

在这些坐标系中可以表示输入模型的角度，因此可以任意定向。

模型空间中的位置域用来设置局部坐标系中的点源位置。

也可以在坐标控件中的原点（Origin）项来设置位置，但是我们在全局坐标系中设置原点而在局部坐标系中设置点源（Position）位置。

幅度比例因子和相移项可以应用全部模型中。

模型数据可以从由FEKO创建的*.ffe文件或是ASCII数据文件中导入。

关于ASCII格式的详细说明，参见AR卡（13.2.16节）。

注意模型并没有载入CADFEKO，CADFEKO只是保存了文件名。

只要执行PREFEKO，文件就会被处理。

因此重写文件和重新计算FEKO 的解就变得很容易了，但是用户需要文件改动。

CADFEKO不会保存这一文件，因为文件可能保存在不同的路径下，或是正在被其他模型使用。

如果使用另存为把CADFEKO模型保存在了不同的路径，CADFEKO首先会尝试在同一相对路径下查找文件，如果查找失败，会在原来的绝对路径下查找。

用户必须要保证文件中的模式在电流模型的求解频率下是合适的。

由于远场模式是频率相关的，所以对有辐射模式点源的模型往往只有单一求解频率。

如果在FEKO中辐射模式在一个频率范围内求解，*.ffe文件将包含复合模式。

在起始点数量选项域中就可以选择。

5.5.4 在有限元区域的外加电流
在主菜单中选择Solution→Add excitation→FEM current source或是在树形结构中右键单击Excitation然后选择FEM current source来设置有限元（FEM）区域中的外加电流源。

图5-7：FEM区域中的电流源对话框
电流源是通过以下几项来设置的：幅值和相位、起始点、终点（使用全局坐标系）。

注意由于整个电流线具有固定的幅值和相位，所以和激励源所在介质中的波长相比，电流线的长度应该一定短。

因为并不要求电流线和网格单元对齐（也即网格定点须和终点重合），所以电流源和几何体没有联系。

用户必须保证源在FEM区域内，并且如果想建立电气连接，还要保证两个端点都在传导面上。

电流线源的一个潜在限制是不需要考虑线的半径。

因此在电流线的近处，场是奇异的，并且这会影响激励源输入阻抗的计算精度。

在以后这种电流线源将会应用于支持负载和S 参数计算的端口。

5.6 在几何体上设置端口，源和负载
5.6.1 端口
在CADFEKO中，在创建源/负载之前就要定义端口所应用的电压源和分离负载。

端口列举在结构树中的端口项下面。

每个端口包含分立项目或是实例，来标明它所联系的几何体和网格单元。

一般来说端口都是在几何单元上创建的。

每个端口刚开始时只包含一个几何实例。

当几何体剖分网格后，网格实例会自动创建。

树形结构中的端口项包含几何体实例和所有端口网格实例的图标。

并不需要观察实例本身。

（如果端口有问题，那么问题原因仅会显示在单一实例上。

）注意如果重命名了网格或是几何体重新剖分网格，就会创建第二个网格实例。

（第一个网格实例应用于当前重命名的网格。

）在网格上也可以创建端口。

操作只能是通过Mesh→Create port菜单选项实现并且只对导入的网格有效。

如果端口是在网格上创建的，那他只能包含一个网格实例。

如果端口包含一个几何体实例，在主端口项的弹出菜单中选择Properties打开几何体实例的属性。

如果端口仅包含一个网格实例，选择操作就会打开那个网格实例的属性。

通过展开树形结构中的端口项然后选择实例中弹出菜单的属性项就能编辑其属性。

注意只有网格实例会被写入*.pre文件和*.cfm文件。

当正电压加到端口时，约定电流从端口的负端流向正端。

当有端口应用在几何体或是网格上时，几何体和网格是不能删除的。

不过，一些网格细化工具仍可以移除那些设置了端口项的单元。

此时端口会标定为有问题并且必须被编辑（重新指定给几何体/网格单元）以清除设置。

设置有端口的几何体和网格单元能分别被删除。

当端口的最后一个实例删除后，端口也就被删除了。

如果端口应用于一个网格部分（正如以上描述的）或是在剖分网格后删除一个几何体实例，那么端口就只含有网格单元。

具有这样端口的任何网格部分不能重新剖分，除非端口被完全移除。

Label域用来命名任意处的端口。

在主端口项的弹出菜单中，通过修改Rename项可以改变端口名。

也可以在端口的任意几何体或是网格实例的属性对话框中改变端口名。

5.6.1.1线端口
线端口在线边沿创建，例如，不形成面边界的边沿。

在主菜单中选择Geometry→Create port→Wire port打开如图5-8所示的Create wire port（geometry）对话框。