Электродинамическое моделирование антенных и СВЧ структур с использованием FEKO 59143

Данная книга представляет собой систематическое описание одной из самых мощных современных программ электродинамического моделирования – FEKO.

Программа FEKO имеет мощную систему черчения сложных трехмерных СВЧ конструкций и расчет электромагнитных полей несколькими методами. Это базовый метод моментов, методы геометрической и физической оптики, метод конечных элементов, а также новый мультипольный метод расчета, в котором используются последние достижения в решении систем линейных уравнений с помощью выделения блоков. FEKO – это универсальная программа, которая решает задачи так, что отдельные части структуры могут рассчитываться разными методами. Это позволяет FEKO решать широкий круг задач и моделировать объекты с размерами много больше длины волны. Описания интерфейса и диалогов, а также примеров, относятся к FEKO версии 6.

В книге имеется теоретический раздел, в котором дается описание метода моментов, на конкретных примерах рассмотрены разные аспекты методов расчета и установок опций, особенности черчения и моделирования рупорных, печатных, а также многопортовых антенных систем, волноводных и микрополосковых транзисторных СВЧ усилителей. Рассмотрен ряд оригинальных структур современных антенн с линейной и круговой поляризацией. Рассматривается оптимизация СВЧ структур, значительно повышающая эффективность проектирования.

Книга предназначена для широкого круга специалистов, студентов и аспирантов, изучающих проектирование СВЧ приборов и методы расчета электромагнитных полей в неоднородных средах.

Оглавление

1 Введение    3

2 Характеристика системы FEKO

2.1 Используемые методы  

2.1.1 Метод моментов        

2.1.2 Метод физической оптики   

2.1.3 Однородная теория дифракции       

2.2 Виды анализируемых структур           

2.2.1 Электромагнитная совместимость  

2.2.2 Одиночные планарные и объемные излучатели    

2.2.3 Решетки излучателей 

2.2.4 Зеркальные антенны с облучателями         

3 Метод моментов – базовый метод моделирования в FEKO   

3.1 Базисные и тестовые функции.           

3.2 Метод Бубнова-Галеркина и вариационные принципы.     

3.3 Интегральные операторы и уравнения электродинамики  

3.3.1 Двумерный интегральный оператор для Е-волн.  

3.3.2 Двумерный интегральный оператор для Н-волн.  

3.3.3 Трехмерный интегральный оператор.        

3.3.4 Магнитные токи и интегральные уравнения         

3.3.5 Интегральные операторы для плоскослоистых структур.

3.4 Источники в методе моментов

4 Базовые определения и понятия FEKO 

4.1 Разбиение структуры на ячейки и моделирование  

4.2 Выбор размеров ячеек разбиения       

4.3 Правила разбиения на связанные ячейки      

4.4 Диэлектрические объекты       

4.5 Многоуровневый быстрый многопольный метод расчета (MLFMM)       

4.6 Требования к памяти для различных задач   

4.7 Типичные примеры решения методом MLFMM      

4.8 Установка параметров решения на фасках   

5 Работа в интерфейсе CADFEKO

5.1 Обзор CADFEKO          

5.1.1 . Инструментальная линейка

5.1.2 Создание, открытие и сохранение моделей           

5.1.3 Перестройка геометрической модели        

5.1.4 Архивирование моделей       

5.2 Трехмерный вид моделируемой структуры   

5.2.1 Рабочая плоскость     

5.2.2 Изменение рабочей плоскости        

5.2.3 Режим захвата

5.2.4 Расстояние между точками  

5.3 Плоскости сечения       

5.3.1 Выбор просмотра       

5.3.2 Инструментальная линейка FEKO  

5.4 Дерево модели   

5.4.1 Содержание дерева проекта 

5.4.2 Значки среды в дереве подробностей         

5.5 Изменяемые параметры           

5.5.1 Переменные    

5.5.2 Поименованные точки          

5.5.3 Калькулятор    

5.6 Выбор объектов 

5.6.1 Выбор компонентов  

5.7 Удаление объектов       

5.8 Ввод точки         

5.9 Локальные координаты

5.10 Редактор текста описания задачи     

5.11 Получение справки     

5.12 Быстрые клавиши        

5.12.1 Проверка обновлений программ FEKO    

6 Создание модели  

6.1 Создание конструкции в CADFEKO  

6.2 Черчение с использованием 3D примитивов

6.2.1 Черчение двумерных поверхностей

6.2.2 Создание искривленных форм         

6.3 Экспорт и импорт геометрии  

6.4 Работа с геометрией     

6.4.1 Булевы операции        

6.4.2 Операции свипирования и протаскивания 

6.4.3 Поверхности, созданные операцией Loft    

6.4.4 Проекция точек на другую плоскость и впечатывание точек     

6.4.5 Реверсирование нормали фасок      

6.4.6 Удаление деталей и операция упрощения  

6.5 Копирование объектов 

6.5.1 Копирование оригиналов     

6.5.2 Ликвидация частей    

6.5.3 Создание примитива с удалением хронологии его создания      

6.5.4 Проверка правильности геометрии 

6.6 Разбиение на ячейки    

6.6.1 Задание локальных параметров разбиения на ячейки      

6.6.2 Импорт сетки разбиения      

6.6.3 Проверка и редактирование сетки разбиения       

6.6.4 Радиус элемента сетки          

6.6.5 Перемаркировка элементов сетки   

6.6.6 Объединение совпадающих вершин

6.6.7 Слияние элементов (удаление вершин)      

6.7 Удаление дублированных элементов 

6.7.1 Обнаружение искаженных элементов и элементов

с завышенными размерами

6.7.2 Просмотр свободных ребер сетки и узлов сегментов       

6.7.3 Редактирование вершин сетки         

6.7.4 Создание треугольников в сетке разбиения           

6.7.5 Реверсирование нормалей    

6.7.6 Уплотнение и разряжение сетки     

6.8 Преобразование геометрии     

6.8.1 Многократные копии

6.8.2 Преобразование частей сетки          

6.8.3 Ансамбли (сборки)    

6.9 Использование сред диэлектрических и с потерями           

6.9.1 Диэлектрическая среда         

6.9.2 Металлическая среда 

6.9.3 Слоистые диэлектрики         

6.9.4 Импедансные слои    

6.9.5 Установка свойств материалов        

6.9.6 Свойства трехмерных областей Region       

6.9.7 Свойства фасок          

6.9.8 Установка свойств элемента разбиения на сетку  

6.9.9 Свойства ребер           

6.9.10 Показ диэлектрической среды, покрытия и тонких слоев         

7 Подготовка к решению и запуск FEKO на счет           

7.1 Создание портов, источников и нагрузок     

7.1.1 Проводные порты      

7.1.2 Порты на ребре          

7.1.3 Микрополосковые порты      

7.1.4 Волноводные порты  

7.1.5 Линейные порты, использующиеся в расчете методом FEM.     

7.1.6 Порты FEM modal      

7.2 Источники в виде плоских волн         

7.3 Электрические и магнитные диполи 

7.4 Точечные источники с заданной ДН 

7.5 Возбуждение сферической волной     

7.6 Возбуждение апертуры

7.7 Источник тока в структуре      

7.7.1 Токи в области FEM  

7.7.2 Источники напряжения        

7.8 Нагрузки 

7.9 Моделирование бесконечной земляной плоскости 

7.10 Установка частоты     

7.11 Установка мощности источника      

7.12 Выбор требуемых результатов расчета        

7.12.1 Расчет токов на металлических поверхностях     

7.12.2 Расчет S-параметров

7.12.3 Расчет характеристик антенны в дальней зоне   

7.12.4 Расчет ближнего поля         

7.12.5 Уровень поглощения мощности в среде   

7.13 Анализ кабельных линий       

7.14 Приемная антенна      

8 Программа постпроцессорной обработки данных POSTFEKO версии 6

8.1 Интерфейс POSTFEKO

8.2 Закладки меню POSTFEKO     

8.2.1 Закладки по умолчанию       

8.2.2 Контекстно-зависимые закладки    

8.3 Системные операции   

8.3.1 Кнопки управления и инструменты быстрого расчета     

8.3.2 Сохранение и загрузка проектной сессии  

8.3.3 Анимация        

8.3.4 Импорт и экспорт      

8.3.5 Запоминание данных и использование сохраненных данных     

8.4 Запуск POSTFEKO        

8.4.1 Управление проектами и моделями

8.4.2 Добавление результатов для просмотра     

8.4.3 Анимация 3D данных

8.4.4 Использование 2D графиков (Cartesian, Smith and polar)  

8.5 Использование 3D видов         

8.5.1 Закладка Display        

8.5.2 Группа Display

8.5.3 Группа Legends           

8.5.4 Группа Entities

8.5.5 Группы показа метода решения и бесконечных плоскостей       

8.5.6 Группы Axes, Export и Duplicate      

8.5.7 Закладка Mesh

8.5.8 Закладка Result           

8.5.9 Использование легенд           

8.5.10 Использование браузера проекта  

8.5.11 Ручное задание свойств осей, диапазонов и заголовков

8.5.12 Использование математических выражения для создания

зависимостей           

9 Выполнение оптимизации в FEKO       

9.1 Подготовка проекта к оптимизации  

9.2 Опции описания целевой функции    

9.2.1 Выбор параметров оптимизации     

9.2.2 Сохранения отношений между оптимизируемыми

параметрами

9.3 Методы оптимизации в FEKO

9.3.1 Симплексный метод  

9.3.2 Метод роя пчел          

9.3.3 Генетический алгоритм (GA)          

9.4 Сравнение методов поиска      

9.5 Оптимизация диаграммы направленности антенны Уда-Яги        

9.5.1 Создание модели антенны    

10 Моделирование зонтичной антенны  над поверхностью земли      

10.1 Общие положения       

10.2 Расчет входного импеданса антенны с растяжками, стоящей

на земляной поверхности с идеальной проводимостью

10.3 Моделирование антенны, включающей нижние растяжки,

лежащие на заданном расстоянии от земли        

10.3.1 Оптимизация  количества оттяжек           

10.4 Моделирование вертикального штыря с оттяжками         

10.5 Формулы расчета КПД антенны       

10.6 Расчет КПД и сопротивления излучения антенны 

10.7 Учет влияния проводимости грунта 

10.8 Учет потерь в конструкции антенны           

10.9 КПД антенны в зависимости от состояния грунта 

10.10 Удлинительная катушка и ее расчет.         

10.11 Напряжение на элементах конструкции   

10.12 Расчет напряжения на концах растяжек    

11 Моделирование антенной решетки в FEKO   

12 Проектирование зеркальной антенны с помощью Antenna Magus  

12.1 Общие положения       

12.2 Задание характеристик в программе Antenna Magus          

12.3 Расчет отдельных антенн разными методами        

13 Метод физической оптики и его реализация в FEKO          

13.1 Теорема эквивалентности     

13.2 Излучение из открытого конца прямоугольного волновода.        

13.3 Излучение из открытого конца плоского волновода         

13.4 Излучение параболической антенны           

13.5 Рассеяние плоской волны на металлическом цилиндре   

14 Расчет двухзеркальной антенны          

15 Геометрическая теория дифракции и метод краевых волн 

15.1 Общие положения       

15.2 Пример: параболическая антенна    

15.3 Пример с линзой         

16 Расчет методом физической и геометрической оптики      

16.1 Общие положения       

16.2 Пример расчета методом физической оптики       

16.3 Метод геометрической оптики         

16.3.1 Пример: Вибраторная антенна светит на  металлическую

плоскость.    

16.4 Однородная теория дифракции        

16.4.1 Пример применение метода теории дифракции.

16.5 Проводная антенна     

16.6 Сравнение методов решения 

16.7 Заключение      

17 Реализация в FEKO метода конечных элементов     

17.1 Разбиение на сетку объемов  

17.2 Гибридный метод FEM/MoM

17.3 Ускорение расчетов методом FEM/MoM – с помощью

параллелизации и гибридизации методов FEM/MLFMM         

17.4 Типичные примеры применения метода FEM       

17.5 Создание портов для расчета методом FEM           

17.6 Решение задачи SAR – расчета мощности поглощения в голове пользователя сотового телефона  

17.7 Пример расчета SAR из раздела Examples  

17.7.1 Диполь и модель головы     

17.7.2 Рассчитываемые характеристики  

18 Моделирование фильтра с микрополосковыми портами    

18.1 Анализ одного резонатора СВЧ фильтра    

18.2 Расчет фильтра методом FEM          

18.3 Пример моделирования микрополоскового фильтра

с микрополосковым портом          

18.4 Последовательность создания модели         

19 Моделирование транзисторного СВЧ-усилителя      

19.1 Однотранзисторный СВЧ усилитель на диэлектрической

подложке      

19.2 Анализ работы транзисторного СВЧ-усилителя в корпусе          

19.3 Выводы 

20 Моделирование волноводного СВЧ усилителя         

20.1 Однокаскадный волноводный транзисторный СВЧ усилитель   

20.2 Устойчивость волноводного СВЧ усилителя          

20.3 Выводы 

21 Моделирование антенной решетки на диэлектрической плате      

21.1 Моделирование 5-канального излучателя   

21.2 Анализ решетки на диэлектрической плате конечного размера 

22 Заключение         

23 Список сокращений       

24 Литература