کاربرد نرم‌افزار FEKO در شبیه‌سازی EMC و EMI

آنالیز آنتن

از آنتن‌های پهن باند مانند آنتن biconical، آنتن‌های log periodic، آنتن حلقوی و آنتن هورن معمولاً در چیدمان تست EMC استفاده می‌شود. این آنتن‌ها می‌توانند در نرم‌افزار FEKO با استفاده از روش حل‌کننده ممان (MoM) آنالیز شوند که برای آن‌ها تنها سطوح هادی و دی‌الکتریک  کاملاً جدا می‌شوند. تابش به داخل فضای باز، در فرموله کردن MoM، بدون نیاز به معرفی شرایط مرزی جذب ویژه یا عناصر مش اضافی، به‌دقت لحاظ می‌شود. درون‌یابی تطبیقی از نتایج بر روی یک باند فرکانس گسترده، تعداد نقاط فرکانس شبیه‌سازی‌شده موردنیاز برای به دست آوردن پاسخ پهن باند را کاهش می‌دهد.

محیط POSTFEKO در نرم‌افزار FEKO، یک رابط کاربری قدرتمند را برای مشاهده نتایج شبیه‌سازی شامل پارامترهایی مانند فاکتور آنتن، نسبت ولتاژ موج ایستاده (VSWR)، ضریب انعکاس، امپدانس ورودی و بهره آنتن فراهم می‌کند.

شبیه‌سازی سازه‌های بزرگ ازلحاظ الکتریکی

حل کردن یک وسیله نقلیه کامل با MoM هنگام شبیه‌سازی در فرکانسی که در آن ساختار ازلحاظ الکتریکی بزرگ می‌شود، ممکن است به چندین گیگابایت حافظه نیاز داشته باشد. به‌عنوان‌مثال در ۹۰۰MHz، طول‌موج حدود ۳۳ سانتی‌متر است و طول یک سدان دارای سایز متوسط، ۱۵ طول‌موج خواهد بود. روش چندقطبی سریع چند سطحی (MLFMM) در FEKO اجازه می‌دهد تا مدلی با این اندازه با استفاده از تنها چند صد مگابایت حل شود.

روش دیگر پیشرو در صنعت در FEKO، روش حل windscreen (شیشه خودرو) است که اجازه گنجاندن شیشه‌های داری اشکال دلخواه حاوی چندین لایه دی‌الکتریک را می‌دهد. این روش، یک آنتن شیشه‌ای چاپ‌شده یا جاسازی‌شده را بدون افزایش قابل‌توجه در منابع محاسباتی حل می‌کند.

نرم‌افزار FEKO همچنین ابزارهای نوآورانه مانند ابزار سطح محدود برای ایجاد یک سطح کار به شکل شیشه جلوی اتومبیل را فراهم می‌کند. یک آنتن در سطح کار می‌تواند با استفاده از سیم‌ها، منحنی‌های بزیر(Bezier) و مجموعه‌ای از سیم‌های بافاصله منظم تعریف کرد.

FEKO چندین تکنیک تقریب فرکانس بالا با حافظه موردنیاز کم مانند اپتیک فیزیکی (PO)، اپتیک‌های هندسی پرتاب اشعه (RL-GO) و تئوری یکنواخت پراش (UTD) ارائه می‌دهد. این تکنولوژی‌ها با MoM ترکیب‌شده‌اند تا مدل‌هایی که شامل هندسه الکتریکی بسیار بزرگ با قطعات پیچیده هستند را حل کنند. یک مثال کاربردی، آنالیز آنتن هورن که با MoM حل‌شده است، هنگامی‌که در مجاورت یک سازه بزرگ قرار دارد، با PO حل می‌شود.

برای مشکلات محاسباتی گران‌قیمت، انواع گزینه‌های دارای کارایی بالای محاسباتی (HPC) در دسترس هستند. حل‌کننده FEKO، موازی‌سازی محاسبات را با به‌کارگیری تکنولوژی CPU از طریق موازی‌سازی چند رشته‌ای، MPI و OpenMP، به‌منظور بهبود عملکرد زمان اجرا در شبیه‌سازی‌های خواسته‌شده پشتیبانی می‌کند. نرم‌افزار FEKO همچنین به‌کارگیری GPUها برای شتاب دادن به شبیه‌سازی با استفاده از چارچوب CUDA متعلق به NVIDIA، پشتیبانی می‌کند.

شیلدینگ در نرم‌افزار FEKO

FEKO می‌تواند فاکتورهای شیلدینگ دی‌الکتریک یا فلزی با شکل دلخواه را، ازجمله شکاف‌ها یا دهانه‌های دیگر محاسبه کند. از یک موج صفحه‌ای می‌توان به‌عنوان یک تحریک برای محاسبه میدان‌های نزدیک داخل محفظه یا برای القای جریان روی سیم استفاده کرد.  میدان‌های محاسبه‌شده را می‌توان با میدان‌های در غیاب یک محفظه نیز مقایسه نمود.

علاوه بر این، مشکل دوگانه داشتن منابع داخلی (دوقطبی‌ها یا تحریک سیم‌ها) حل می‌شود و میدان‌های نزدیک تابیده یا میدان‌های دور خارج از محفظه را می‌توان بررسی کرد.

همچنین امکان به‌کارگیری مواد مشبک و استفاده از اثر پوستی یا اثر نفوذ دیوارها با هدایت محدود وجود دارد. FEKO از یک تکنیک خاص برای محفظه‌های فلزی استفاده می‌کند که در آن فاکتور شیلدینگ ۲۰۰dB یا بیشتر می‌تواند محاسبه شود.

مدل‌سازی کابل

تحلیل تزویج کابل‌ها معمولاً شامل دو محاسبه غیر تشعشعی (تزویج‌شده در داخل کابل) و تشعشعی (میدان‌های خارجی ناشی از جریان‌های دسته کابل) است. FEKO همچنین اجازه تزویج بین کابل‌ها را با محاسبه تشعشع یک کابل با در نظر گرفتن حالت غیر تشعشعی می‌دهد (جریان‌های القاشده ممکن روی کابل ناشی از دیگر کابل‌ها یا میدان‌های خارجی دیگر). نظریه خط انتقال چند هادی(MTL) استاندارد، یک روش عددی تثبیت‌شده برای شبیه‌سازی تزویج الکترومغناطیسی بین دسته‌های کابل و سازه‌های خارجی است. در FEKO، از تکنیک MTL می‌توان برای سطح مقطع‌های دسته سیم‌های پیچیده استفاده کرد و از هر یک از روش‌های حل عددی مانند MoM، MLFMM و روش المان محدود (FEM)، ممکن است برای محاسبه میدان‌های خارجی و جریان‌هایی که به دسته‌های کابل تزویج می‌شوند به کار روند.

در مواردی که نمی‌توان تکنولوژی MTL استاندارد را به کاربرد، ازآنجایی‌که فرض بر این است که مسیر بازگشت جریان مستقیماً در سطح زمین در زیر کابل است، تکنولوژی ترکیبی Mom/MTL در FEKO می‌تواند مورداستفاده قرار بگیرد.

نتیجه‌گیری

نرم‌افزار FEKO دارای ویژگی‌های بسیاری است که آن را برای تنوعی از شبیه‌سازی‌های EMC و EMI جذاب می‌سازد. چند مورد از این ویژگی‌ها عبارت‌اند از تکنیک های تخصصی برای محاسبه مقادیر شیلدینگ بسیار بالا و تکنیک های پیشرفته مدل‌سازی کابل. روش‌های حل متعدد ترکیبی و قابلیت‌های HPC کارآمد، تضمین می‌کند که حتی مسائل بزرگ را می‌توان در زمان مناسب حل کرد.