实现FEKO仿真原理应用

1.MLFMM方法

启动CADFEKO，新建一个工程“Offset_Reflector_MLFMM.cfx”。

（1）定义长度单位

在“Home”菜单中单击“Model unit”按钮，在“Model unit”对话框中，选中“Inches(in)”单选按钮，如图5-101所示。默认单位为m（米）。

图5-101 单位设置

（2）定义变量

在CADFEKO中，在左侧的树形浏览器中双击“Variables”结点，依次定义如下变量。

工作频率：freq=6.25e9。

长度缩放系数：sc=0.0254。

工作波长：lam=c0/freq/sc。

喇叭天线的底部半径：Horn_a=0.51lam。

喇叭天线的高度：Horn_h=3.05lam。

Horn_b_0=0.65lam。

Horn_b=1.0lam。

TE11模的波导波长：lamc_TE11=3.41Horn_a。

TE11模式的截止波长：lamg_TE11=lam/sqrt(1-(lam/lamc_TE11)^2)。

Horn_l=1.5lamg_TE11。

反射面天线的焦距F=10。

H=0。

抛物面在x轴的投影长度：D=18。

Rp=1.1(H+D)。

Hp=Rp^2/(4F)。

相位中心：phs_center=-lam/(sqrt(2)12)。

喇叭轴线与Z轴的夹角（弧度）：psi_C=2arctan((D/2+H)/(2F))。

反射面剖分尺寸：tL0=lam/6.5。

波导喇叭馈电端口剖分尺寸：tL1=lam/20，如图5-102所示。

图5-102 变量定义

（3）定义关键点“Horn_S3”

单击“Construct”菜单中的“Named Point”按钮，弹出“Create named point”对话框，如图5-103所示，进行如下设置。

Name:Horn_S3。

Point:

X:-phs_centersin(psi_C)。

Y:0。

Z:phs_centercos(psi_C)+F。

然后单击“Create”按钮。

图5-103 定义关键点

（4）定义工作平面“Focus”

在CADFEKO中，在左侧的树形浏览器中，选中“Workplanes”结点，单击鼠标右键，选择“Add workplane F9”选项，或直接按〈F9〉键，弹出“Create workplane”对话框。此时把光标定在“Origin”区域，按住〈Ctrl+Shift〉快捷键，单击上一步定义的关键点“Horn_S3”，接着在对话框中进行如下设置。

U vector：(X:-cos(psi_C);Y:0.0；Z：-sin(psi_C))。

V vector：(X:0.0;Y:1.0;Z:0.0)。

然后，在“Label”文本框中输入“Focus”，最 后单击“Create”按钮，如图5-104所示。

图5-104 定义工作平面

（5）模型建立

馈源喇叭天线模型建立：单击“Construct”菜单，单击“Polyline”按钮，弹出“Create polyline”对话框，如图5-105所示，进行如下设置。

在“Geometry”选项卡中：

Corner1：（U:0.0,V:0.0,N:-Horn_l-Horn_h）。

Corner2：（U:Horn_a,V:0.0,N:-Horn_l-Horn_h）。

单击“Add”按钮。

Corner3：（U:Horn_a,V:0.0,N:-Horn_h）。

单击“Add”按钮。

Corner4：（U:Horn_b_0,V:0.0,N:-Horn_h）。

单击“Add”按钮。

Corner5：（U:Horn_b,V:0.0,N:0.0）。

在“Workplane”选项卡中：

把光标定在“Origin”位置，同时按住〈Ctrl+Shift〉快捷键，单击左侧的树形浏览器“Workplanes”结点下的工作平面“Focus”。

然后在“Label”文本框中输入“Curve”，单击“Create”按钮。

图5-105 定义天线母线坐标点

在左侧树形浏览器的“Geometry”结点中，选中新建的线模型“curve”，单击鼠标右键，选择“Apply”→“Spin”选项，弹出“Spin geometry”对话框，进行如下设置。

把光标定位在“Origin”位置，同时按住〈Ctrl+Shift〉快捷键，单击在左侧树形浏览器“Name points”中定义的关键点“Horn_S3”。

Axis direction：

U：sin(psi_C)。

V：0.0。

N：-cos(psi_C)。

Angle[degrees]：360。

然后单击“Create”按钮，如图5-106所示。

在左侧的树形浏览器中，展开“Geometry”结点，把新生成的模型更名为“Horn_SY”，选中该模型，单击鼠标右键，选择“Apply”→“Simplify”选项，弹出“Simplify geometry”对话框，采用默认设置，单击“Create”按钮。

反射面模型建立：在“Construct”中单击“Paraboloid”按钮，弹出“Create paraboloid”对话框，如图5-107所示，进行如下设置。

图5-106 定义模型旋转成体

图5-107 创建抛物面

在“Geometry”选项卡中：

Base centre：(U:0.0,V:0.0,N:0.0)。

Radius(R)：Rp。

Focal depth(F):F。

在“Label”文本框中输入“Paraboloid 1”，单击“Create”按钮。

在“Construct”菜单中单击“Cylinder”按钮，弹出“Create cylinder”对话框，如图5-108所示，进行如下设置。

在“Geometry”选项卡中：

Base center：(U:0.0,V:0.0,N:0.0)。

Radius(R):D/2。

Height(H):Hp。

在“Workplane”选项卡中：

Origin:(X:D/2+H,Y:0.0,Z:-1)。

U vector:(X:1.0,Y:0.0,Z:0.0)。

V vector:(X:0.0,Y:1.0,Z:0.0)。

在“Label”文本框中输入“Cylinder 1”，单击“Create”按钮。

图5-108 创建圆柱体

在左侧的树形浏览器的“Geometry”结点中，同时选中模型“Cylinder1”和“Paraboloid1”，单击鼠标右键，选择“Intersection”选项，把新生成的模型更名为“Offset_Reflector”。

（6）设定对称与端口

单击“Solve/Run”菜单中的“Symmetry”按钮，弹出“Symmetry definition”对话框，如图5-109所示，进行如下设置。

X=0 plane:No symmetry。

Y=0 plane:Geometric symmetry。

Z=0 plane:No symmetry。

然后单击“OK”按钮。

图5-109 定义对称面（几何对称）

在3D视图区域，把模型移动并缩放到适合的角度，单击鼠标左键自动切换到面选模式，选中馈源喇叭天线“Horn_SY”的最底部面，单击鼠标右键，选择“Create port”→“Waveguide port”选项，如图5-110所示，弹出“Create waveguide port（geometry）”对话框，如图5-111所示。

图5-110 定义波导端口1

不勾选“Propagation direction opposite to normal”复选框，目的是要使得该面添加的波导信号是向里传播的，即红色箭头朝里。在“Label”文本框中输入“Port1”，单击“Create”按钮。

图5-111 定义波导端口2

在3D视图区域中进入面选模式，选中馈源喇叭天线“Horn_SY”的最底部的面，单击鼠标右键，选择“Properties”选项，弹出“Face properties”对话框，进行如下设置。

进入“Meshing”选项卡：

勾选：Local mesh size。

Mesh size:tL1。

单击“OK”按钮。

（7）电参数设置(https://www.chuimin.cn)

计算方法设置：单击“Solve/Run”菜单中的“Solver settings”按钮，弹出“Solver settings”对话框，进行如下设置。

进入“MLFMM/ACA”选项卡：

选中：Solve model with the multilevel fast multipole method(MLFMM)。

单击“OK”按钮，如图5-112所示。

图5-112 设置MLFMM计算方法

在左侧的树形浏览器中，由“Construct”切换到“Configuration”。

工作频率设置：展开“Global”结点，双击“Frequency”，弹出“Solution frequency”对话框，进行如下设置。

选择：Single frequency。

Frequency(Hz):freq。

单击“OK”按钮。

（8）激励设置

在“Global”结点中，选中“Sources”，单击鼠标右键，选择“Waveguide source”选项，弹出“Add waveguide source”对话框，进行如下设置。

Fundamental mode：

Magnitude:1。

Phase:0。

Rotation:0。

Label:WGE_0。

单击“Add”按钮，继续设置。

Magnitude:1。

Phase:90。

Rotation:90。

Label:WGE_90。

单击“Create”按钮，如图5-113所示。

图5-113 定义端口激励

（9）求解设置

在“Configuration specific”中，选中“Requests”并单击鼠标右键，选择“Far fields”选项，弹出“Request far fields”对话框，进行如下设置。

单击“3D pattern”按钮。

修改theta的Increment：0.5。

Label：ff3D。

单击“Create”按钮，如图5-114所示。

图5-114 远场方向图求解设置

（10）网格划分

单击“Mesh”菜单中的“Create mesh”按钮弹出“Create mesh”对话框，设置如下。

网格剖分方法“Mesh size”:Custom。

三角形单元尺寸“Triangles edge length”:tL0。

单击“Mesh”按钮生成网格，如图5-115所示。

（11）提交计算

进入“Solve/Run”菜单，单击“FEKO Solver”按钮，提交计算。可以选择并行模式。

（12）后处理显示结果

计算完成后，单击“Solve/Run”菜单中的“POSTFEKO”按钮，启动后处理模块POSTFEKO显示结果。

（13）显示3D结果

在“Home”菜单中，单击“Far field”→“ff3D”，在右侧控制面板中，勾选“dB”复选框。

进入“Result”菜单，单击“Grid”按钮。

图5-115 定义网格划分

进入“Display”菜单，单击“Individual range”按钮，弹出“Entity manual limits settings[ff3D]”对话框，进行如下设置。

dB scale:选中“Specify max dynamic range”。

Dynamic range(dB):80。

单击“OK”按钮，如图5-116所示。3D辐射方向图如图5-117所示。

图5-116 反射天线MLFMM计算3D方向图

图5-117 3D辐射方向图显示

（14）显示2D结果

切换到“Home”菜单，单击“Cartesian”，进入直角坐标系，单击“Far field”→“ff3D”，会在直角坐标系中直接显示Phi=0°极化平面上的2D增益方向图，在右侧控制面板中进行如下设置。

Independent axis(Horizontal):Theta(wrapped)。

Quantity:Gain。

勾选“dB”复选框，如图5-118所示。

图5-118 XOZ平面辐射方向图

进入“Home”菜单，单击“Save project”按钮，保存计算结果文件为“Offset_Reflector_ MLFMM.pfs”。

2.MoM+LEPO混合法

在CADFEKO中，单击起始菜单中的“Save as”按钮，另存为“Offset_Reflector_ MoM_LEPO.cfx”。

（1）求解方法设置

单击“Solve/Run”菜单中的“Solver settings”按钮，弹出“Solver settings”对话框，进行如下设置。

进入“MLFMM/ACA”选项卡：

选中“None”单选按钮，单击“OK”按钮，如图5-119所示。

图5-119 设置计算方法

进入“High frequency”选项卡：

确认选中“Decouple PO and MoM solutions”单选按钮，如图5-120所示。

图5-120 求解设置（高频高级设置）

在左侧的树形浏览器中，展开“Geometry”结点，选中“Offset_Reflector”模型，在左下角的“Details”树形浏览器中，展开“Faces”结点，选择面元“Face”，单击鼠标右键，选择“Properties”选项，弹出“Face properties”对话框，进行如下设置。

进入“Solution”选项卡：

选择方法：Large element PO-always illuminated。

进入“Meshing”选项卡：

勾选：Local mesh size。

Mesh size:lam/2。

单击“OK”按钮，如图5-121所示。

图5-121 反射面（计算方法与网格剖分设置）

（2）网格生成

单击“Mesh”菜单中的“Create mesh”按钮，弹出“Create mesh”对话框，采用默认设置，单击“Create”按钮，生成网格。

（3）提交计算

单击“Solve/Run”菜单中的“FEKO Solver”按钮，提交计算。

3.MLFMM+LEPO混合法

在CADFEKO中，单击起始菜单中的“Save as”按钮，把“Offset_Reflector_MoM_ LEPO.cfx”另存为“Offset_Reflector_MLFMM_LEPO.cfx”。

（1）求解方法设置

单击“Solve/Run”菜单中的“Solver settings”按钮，弹出“Solver settings”对话框，进行如下设置。

进入“MLFMM/ACA”选项卡：

选中：Solve model with the multilevel fast multipole method(MLFMM)。

单击“OK”按钮，如图5-122所示。

图5-122 设置计算方法

进入“High frequency”选项卡：

确认选中了“Couple PO and MoM/MLFMM solutions（iterative technique）”单选按钮，如图5-123所示。

图5-123 求解设置（高频高级设置）

（2）提交计算

单击“Solve/Run”菜单中的“FEKO Solver”按钮，提交计算。

（3）后处理结果显示

打开已经保存的POSTFEKO工程“Offset_Reflector_MLFMM.pfs”的后处理界面，单击“Add model”按钮，同时读入“Offset_Reflector_MoM_LEPO.bof”和“Offset_Reflector_ MLFMM_LEPO.bof”。

在“Home”菜单中，单击“Far field”中新导入两个工程结果文件中的“ff3D”，在右侧面板中，修改设置如下。

Independent axis(Horizontal)修改为：Angle(wrapped)。

勾选：dB。

2D结果显示如图5-124所示。

图5-124 2D结果显示（对比MLFMM、MoM+LEPO与MLFMM+LEPO）