电磁场分析软件FEKO(1)

电磁兼容分析软件FEKO （FEKO Suite 5.3）

来文娟

（04085065）

电磁场分析软件FEKO（5.3）

1. 软件背景介绍

FEKO是复杂形状三维结构的电磁场分析软件，是复杂专业电磁场仿真领域中最强大的软件，应用范围非常广泛，由南非的EMSS公司开发。FEKO基于著名的矩量法（MoM）对Maxwell方程组求解，可以解决任意复杂结构的电磁问题，是世界上第一个把多层快速多极子（MLFMM：Multi-Level Fast Multipole Method）算法推向市场的商业代码，在保持精度的前提下大大提高了计算效率，使得精确仿真电大问题成为可能（典型的如简单介质模型的RCS、天线罩、介质透镜）。在此之前，求解此类问题只能选择高频近似方法。FEKO中有两种高频近似技术可用，一个是物理光学（PO），另一个是一致性绕射理论（UTD）。在MoM 和MLFMM需求的资源不够时，这两种方法提供求解的可能性。FEKO中通过混合MoM/PO 和MoM/UTD来为电大尺寸问题的精度提供保证，非常适合于分析开域辐射、雷达散射截面（RCS）领域的各类电磁场问题。FEKO还针对许多特定问题，例如平面多层介质结构、金属表面的涂覆等等，开发了量身定制的代码，在保证精度的同时获得最佳的效率。

2. 主要功能

1.电大问题的求解：

FEKO通过MLFMM、MoM/PO、MoM/UTD从算法上提供了电大问题求解的途径；

2.丰富的求解器选择：

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.优化功能：

FEKO提供了离散点计算方法、单纯形方法、共轭梯度法、准牛顿法等多种优化方法；

4.快速宽频响应计算：

FEKO通过自适应频率点采样和插值，提供宽频率响应的快速计算能力；

5.时域求解：

FEKO基于频域分析，同时通过FFT提供时域响应分析能力；

6.强大的前后处理功能：

CADFEKO提供直接面向求解器的3D图形建模和网格划分功能，支持多种CAD格式的网格文件导入：包括FEMAP Neutral (*.neu)，AUTOCAD (*.dxf)，特定的ASCII，NASTRAN (*.nas)，STL(*.stl)，ANSYS (*.cdb)，ParaSolid等等；POSTFEKO提供图形化后处理能力。

7.二次开发：

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。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；

8.并行计算：

FEKO提供并行版本，支持分布式内存（MPP）和共享式内存（SMP）并行方式，其MLFMM 求解器具有非常好的并行效率。在并行计算中，加速比和效率是并行程序进行评价的重要指标，其中，加速比定义为：单个节点上的运行时间和n个节点上运行时间的比，效率定义为加速比和计算节点个数之比。MLFMM求解器的并行计算效率测试见图1

图1 FEKO-MLFMM求解器并行计算效率

3. 典型应用

天线设计：

基于其独特的高频算法，FEKO广泛应用于包括线天线、面天线、喇叭天线、反射面天线、相控阵天线、微带天线等各种天线结构的设计中，计算和优化各种关心的天线性能参数。

天线布局：

飞机、舰船、车辆等载体上的天线在工作状态下其输入阻抗、方向图等会受到载体的影响，载体的电尺寸通常都比较大，FEKO独特的MM/PO/UTD混合方法对这样的电大尺寸问题非常适用，能有效地优化载体上天线及天线系统的布局方案，类似的影响还包括地面、水面、天线附近的大型目标等。

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。

分析：

EMC/EMI分析的涵盖范围非常广泛，FEKO适用于系统级的高频EMC/EMI计算，前面提到的天线布局分析实际上就可以完成天线系统的EMC计算。FEKO的很多特有技术对EMC 分析非常有效，比如：有多种方法可以模拟介质体和磁性结构、能有效处理真实地面、用多层介质函数可以分析印刷电路板、特别善于处理电大尺寸问题的高频混合算法、自适应频率采样（AFS）技术特别适合于宽带EMC分析等等。

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；

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；

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）；

散射分析：

利用MoM或MLFMM可以分析电小或电大尺寸目标的散射特性。

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。

1.1 套装模块组成

FEKO 套装软件由以下几个部分组成：

- 建模分网前处理模块——CADFEKO

- 可选择的高级前处理模块——卡片编辑工具EDITFEKO

- 计算底层执行模块——Prefeko、FEKO、timefeko等

- 后处理模块——POSTFEKO

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。

1.2 界面

图1-1 建模设置界面CADFEKO

图1-2 EDITFEKO界面