FEKO软件的电磁兼容仿真探讨

[摘 要]FEKO软件是系统级电磁兼容分析工具，能满足电缆互连网络、多PCB板与机箱系统、系统间及空间电磁环境的电磁问题的分析要求，通过对电磁兼容仿真研究，能够高效地促进产品研发，缩短研制周期，减少研发成本。

[关键词]FEKO 电磁兼容 仿真研究

中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）47-0267-01

引言

本文采用FEKO软件，解决系统级电磁兼容分析，满足电缆之间，PCB与机箱之间及系统级电磁环境的要求。

1 FEKO电磁求解器

FEKO系统级电磁兼容分析提供了全面的解决方案，可以满足电缆互连网络、多PCB板与机箱系统、系统间及空间电磁环境的所有电磁问题的分析要求，能够高效地促进用户的产品研发。FEKO是针对系统的电磁兼容性能等高频电磁辐射问题开发的专业电磁场分析软件，从严格的电磁场积分方程出发，以经典的矩量法（MOM：Method Of Moment）为基础，采用了多层快速多极子（MLFMM：Multi-Level Fast Multipole Method）算法在保持精度的前提下大大提高了计算规模（专门针对电大尺寸的高频电磁问题）及计算效率；并将矩量法与经典的高频分析方法（物理光学PO：Physical Optics，几何光学法GO：Geometric Optic，一致性绕射理论UTD：Uniform Theory of Diffraction）完美结合，从而非电磁兼容-EMI/EMI、开域的辐射等领域的各类电磁场问题。此外，FEKO软件混合了有限元法（FEM：Finite Element Method），能更精确的处理多层复杂电介质、生物体吸收率的问题。

FEKO作为系统级电磁兼容分析软件自身包含了强大线缆分析模块。另外，FEKO与PCB板级的电磁兼容软件具有开放的接口。支持导入PCB板级分析软件计算的近场数据导入，支持测量设备测试的近场数据导入。因此FEKO软件与第三方PCB分析软件形成了完整的电磁兼容分析方案，能够完成复杂线缆束电磁兼容分析、电路板机箱系统电磁兼容分析、机箱屏蔽效能分析、系统级电磁环境分析等各种电磁兼容问题。

2 FEKO软件的主要功能

FEKO通过MLFMM、MoM/PO、MoM/UTD、MOM/GO、FEM/MLFMM等从算法上提供了电大尺寸问题求解的多种途径。

* 强大的并行求解能力

EMSS公司从成立之初就一直致力于FEKO并行算法的实现及优化。FEKO提供优良的并行计算能力（MOM并行、MLFMM并行、高频计算并行等），进一步提升了计算规模，提高了计算的效率，以舰船电磁分析为例测试了多层快速多极子的并行，并行效率达到80%以上，而且在高到32个CPUs的情况下，并行效率没有明显下降；

FEKO具有卓越的并行计算能力，对于电尺寸特别巨大的工程问题，除了上述的各种解决方案之外，还可以利用并行计算进行处理。上图是用MLFMM分析一船舶模型，230λ（长） 、14λ（宽） 、22λ （高）共计318万未知量。

FEKO 软件基于OpenMP技术支持共享内存的并行和基于MPI/OpenMP技术支持共享内存与分布式混合并行计算；OpenMP并行技术加速了MoM矩阵的求解。

* 不同的问题采用不同的方法

FEKO以矩量法（MoM）和多层快速多极子方法（MLFMM）算法为核心，引入物理光学法（PO）、一致性绕射理论（UTD）、有限元（FEM）、几何光学法（GO）以及多种混合算法来高效处理各类不同的电磁问题。

* FEKO具有良好的优化设计能力：

FEKO基于多种经典及最新的优化算法（如单纯形法、共扼梯度法、遗传算法、粒子群优化算法等） ，用户可以指定优化目标，针对增益、辐射方向图、近场场强大小、阻抗系数、反射系数等进行优化分析，达到分析设计一体化。

* 自适应频率采样宽频分析：

FEKO独具特色的自适应频率采样（AFS）技术使其具有快速而精确的扫频计算能力。该技术利用有理样条函数来自动选择扫频计算的采样点，采样点的梳密分布与响应曲线直接相关（比如，在谐振频率处会自动增加采样点），在同等精度下，该技术极大地减少了扫频分析的计算时间。

* 利用近场等效、远场等效方法来模拟辐射源；（这些近场、远场等效源可以来源于FEKO或其他软件仿真计算的数据，

* 非辐射网络的联合计算：

FEKO软件支持场、路联合计算，对于非辐射电路部分如果是包含非线性器件（如放大器、混频器等）可以采用ADS、Microwave Office等射频电路分析软件来分析，如果是由线性器件组成的无源电路（如匹配电路、滤波器等），可以采用FEKO软件来分析，得到电路的S、Z、Y参数文件，在FEKO中可以直接读取电路的S、Z、Y、Spice等参数文件，把非辐射路网络和辐射单元联合起来进行总体分析。

* 二次开发功能：

在建立FEKO项目文件时会自动生成脚本命令流文件，也可以单独建立或编辑脚本命令流，FEKO的脚本命令流编辑器（EditFEKO）提供循环和分支控制语句，能够输入自定义的函数、读入文件数据或进行计算过程的程序化运行；开放的输入输出文件，可以被Matlab、Frotran、VC等调用；

* FEKO支持分布式内存和共享式内存并行方式，提供了单机多CPU并行、多机网络并行等程序版本，以满足工程实用需要。同时FEKO具有优异的并行计算效率。

3 机箱电磁屏蔽性能分析

实际的电子对抗、电台通讯等系统都工作在特定的电磁环境之中，在实际情况中，为使机箱内设备不受外界电磁环境的影响而正常工作，就对箱体的电磁屏蔽性能提出了较高的要求。

应用FEKO软件，能够考虑在不同方向、不同极化形式的电磁波照射下（或者设置其它特定的复杂电磁环境），箱体的电磁屏蔽性能；分析系统的抗干扰能力；并可以考虑不同的箱体开孔以及屏蔽设施对系统电磁屏蔽性能的改进及影响。从而能够指导工控机箱设计，并分析，使机箱屏蔽性能达到相应的国、军标要求。

4 机箱内电子设备之间的EMC/EMI分析

电磁兼容的另一方面，就是分析一个系统内部的EMC性能。在电子机箱内部，通常会存在多块PCB板等设备，对每一个电子设备而言，都会有能量的辐射，并同时都受它所处电子机箱空间的电磁环境影响。要是每个电子设备都能正常工作，需要多个电子设备之间有好的电磁共容性。因此需要对多个电子设备之间的EMC问题进行分析，从而确定其间相互影响是否在可接受的范围内，或者调整各电子设备的空间位置，使设备间的影响最小。

5 线缆束辐射与抗干扰分析

在分析线束之间的信号耦合方面，FEKO软件也有自身的特性。辐射和抗干扰有如下特点：支持任意线缆截面形状；可计算电缆辐射，需添加电压源激励；采用新的MTL/MoM混合技术；加载可支持串联/并联RLC电路；与CADFEKO无缝集成，在图形界面中完成所有操作；新增三种方法的屏蔽层支持，实体屏蔽层，编织网屏蔽层，根据测试数据和数据卡定义屏蔽层。

6 结束语

本文通过对KERO电磁求解器的分析，采用了建模及仿真计算的方法，对机箱电磁屏蔽性能、机箱内电子设备之间的EMC/EMI、电子设备屏蔽特性、电磁泄露、复杂机箱的EMC、线缆束辐射与抗干扰及线缆间干扰等进行了解析，得到了各仿真特性及效果图，为产品研发提供了依据，在缩短周期及减少费用方面有着积极作用。

参考文献

[1] David M Pozar著.微波工程（第三版）[M].张肇仪，译.北京：电子工业出版社 ，2006.

[2] 中国航天一院第704所.GJB3590-1999.航天系统电磁兼容性要求[S].北京：1999.

[3] 白同云.电磁兼容分层与综合设计方法――电磁兼容设计的新方法[J].电子质量，2008，（5）：98-101.