Основы компьютерного проектирования РЭС САПР СВЧ

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное 

учреждение высшего образоания

«Южный федеральный университет»
Инженерно-технологическая академия

Н.Н. Кисель 

ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ 

РЭС САПР СВЧ

Учебное пособие

Таганрог 

Издательство Южного федерального университета

2016

УДК 621.396.67
ББК 32.845

К443
Печатается по решению редакционно-издательского Совета 

Южного федерального университета

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор кафедры информационной 

безопасности систем и технологий. СКФУ Макаров А.А.;

зав. кафедрой антенн и радиопередающих устройств, доктор 

технических наук, профессор Юханов Ю.В.

Кисель, Н.Н. 
Основы компьютерного проектирования РЭС САПР СВЧ :

учебное пособие / Кисель Н.Н. ; Южный федеральный 
университет. – Таганрог : Издательство Южного федерального 
университета, 2016. – 196 с.

ISBN 978-5-9275-2207-1

Учебно-методическое 
пособие 
посвящено 
вопросоам 

моделирования антенн и СВЧ-устройств в соверменном пакете СВЧмоделирования FEKO. В пособие излагаются основные этапы 
работы в пакете FEKO, особенности выбора методоав решения. 
Приведены 
примеры 
моделирования 
с 
указанием 

последовательности действий. Материал пособия соответствует 
программе учебного курса «Основы компьютерного проектирования 
РЭС».

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по 

направлениям 11.03.01, 11.03.02 при изучении учебного курса 
учебного курса «Основы компьютерного проектирования РЭС».

ISBN 978-5-9275-2207-1
УДК 621.396.67

ББК 32.845

© Южный федеральный университет 2016
© Кисель Н.Н., 2016

К443

О Г Л А В Л Е Н И Е

1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АРХИТЕКТУРЕ ПРОГРАММЫ 
FEKO…………………………………………………………………….5

1.1. Методы вычислительной электродинамики, используемые в 

FEKO.........................................................................................................5

1.2. Базовые компоненты FEKO.........................................................6
1.3. Установки задачи для электромагнитного моделирования......7

1.3.1. Заполнение раздела дерева модели Medium ........................7
1.3.2. Задание ветрозащитного экрана Windscreen .....................9
1.3.3. Установка свойств среды для элементов модели............11
1.3.4. Установки для элементов разбиения.................................16
1.3.5. Некоторые правила численного моделирования ...............17
1.3.6. Требования к размеру элементов разбиения......................18
1.3.7. Правила дискретизации элементов, имеющие общие 

точки касания........................................................................................22

1.4. Проверка достоверности полученных результатов.................32

2. ОСОБЕННОСТИ ЗАПУСКА FEKO НА РЕШЕНИЕ……………..34

2.1. Запуск последовательной версии FEKO ..................................34
2.2. Запуск версии FEKO в режиме MPI .........................................35
2.3. Запуск на удаленный вычислительный кластер......................36
2.4. Очереди заданий, добавление заданий в очередь....................36
2.5. Способы уменьшения вычислительных затрат .......................37
2.6. Некоторые рекомендации при выборе метода расчета...........42
2.7. Некоторые рекомендации для снижения затрат времени 

расчета и памяти....................................................................................45

3. УСТАНОВКА МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ…………………...50

3.1. Общие сведения об установке метода решений......................50
3.2. Локальные установки для  элементов объекта........................56

4. УСТАНОВКА ВЫХОДНЫХ ДАННЫХ…………………………..59

4.1. Выходные характеристики ........................................................59

4.1.1. Расчет токов на поверхности Currents.............................59
4.1.2. Расчет S-параметров..........................................................59

4.1.3. Расчет поля в дальней зоне FarFields ................................61
4.1.4. Расчет ближнего поля Nearfields .......................................63
4.1.5. SAR − объемная плотность поглощенной в среде 

мощности...............................................................................................64

4.1.6. Анализ длинных линий Сableanalysis...................................66
4.1.7. Ideal receiving antennas − идеальнаяприемнаяантенна....68

4.2. Предварительная проверка правильности установок для 

проекта и запуск на решение................................................................69

5. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ В CADFEKO…………………...74

5.1. Установка задачи оптимизации ................................................74
5.2. Выбор метода оптимизации и критерии выхода      из 

итерационного процесса .......................................................................75

5.3. Краткое описание методов оптимизации.................................76

5.3.1. МетодНелдера-Мида −  Simplex (Nelder Mead) ...............76
5.3.2. Метод роя частиц −  Particleswarmoptimisation (PSO) ...80
5.3.3. Генетический алгоритм − Genetic algorithm (GA) ...........82
5.3.4. Метод слепого поиска Gridsearch ......................................85

5.4. Параметры оптимизации ...........................................................86
5.5. Ограничения на параметры оптимизации................................88
5.6. Оптимизация при помощи масок − Definingoptimisationmasks

.................................................................................................................88

5.7. Целевая функция optimisationGoals..........................................88
5.8. Типы целевых функций .............................................................92

5.8.1. Целевая функция по импедансу ImpedanceGoal.................92
5.8.2. Целевая функция по ближнему полю −  NearfieldGoal .....93
5.8.3. Оптимизация по дальнему полю − FarfieldGoal ...............94
5.8.4. Оптимизация по элементам  матрицы рассеяния − S
parameterGoal ........................................................................................95

5.8.5. Удельный коэффициент поглощения − SAR

(SpecificAbsorptionRates).......................................................................98

5.8.6. Глобальная оптимизация по нескольким локальным целям

.................................................................................................................98

5.8.7. Особые установки для задачи оптимизации...................100

5.9. Анализ чувствительности  критерия оптимизации...............101
5.10. Запуск задачи оптимизации  OPTFEKO...............................102

6. ПРИМЕРЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ В ПАКЕТЕ FEKO…………...104

6.1. Возбуждение рупорной антенны с помощью штыря............104
6.2. Волноводно-щелевая антенна .................................................113
6.3. Прямоугольная микрополосковая антенна ............................122
6.4. Соосный волноводный стык....................................................130
6.5. Микрополосковыйфильтр........................................................137
6.6. Микрополосковаяантеннаярешетка........................................146
6.7. Исследование характеристик частотно-селективных 

поверхностей........................................................................................154

6.8. Эффективная поверхность рассеяния (RCS) тонкой 

диэлектрической полосы ....................................................................161

6.9. Эффективная поверхность рассеяния RCS и ближнее поле  

диэлектрической сферы ......................................................................163

6.10. Моделирование биоматериала в виде мышечной ткани, 

используя гибридный метод моментов и конечных элементов 
MoM/FEM.............................................................................................165

6.11. Директорнаяантеннанадэкраном ..........................................168
6.12. Оптимизация характеристик директорной антенны...........171
6.13. Различные способы возбуждения рупорной антенны ........175
6.14. Зеркальная антенна с рупорным облучателем.....................177
6.15. Возбуждение апертурой волновода зеркальной антенны ..180
6.16. Развязка между антеннами на объекте больших 

электрических размеров......................................................................181

6.17. Использование метода MLFMM для моделей электрически 

больших размеров ...............................................................................183

ПРИЛОЖЕНИЕ 1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,188

ПРИЛОЖЕНИЕ 2…………………………………………………….189

ПРИЛОЖЕНИЕ 3…………………………………………………….190

1.  КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АРХИТЕКТУРЕ 

ПРОГРАММЫ FEKO

1.1. Методы 
вычислительной 
электродинамики, 

используемые в FEKO

Современный 
этап 
развития 
электроники 
немыслим 
без 

широкого внедрения САПР. Они позволяют не только повысить 
полноту и точность решения проектных задач с одновременным 
сокращением материальных и временных затрат, но и решать 
качественно новые, гораздо более сложные вопросы. Построение 
САПР СВЧ, реализующей полный цикл проектирования − весьма 
сложная задача, так как этапы, связанные с формированием 
технического задания, физических принципов, функциональной 
структуры, оптимальной конструктивно-топологической реализации 
альтернативных решений, слабо поддаются компьютеризации. 

Программный 
интегрированный 
продукт 

FEKO(«FEldberechnungbeiKorpernmitbeliebigerOberflache») 
предназначен для электродинамического моделирования широкого 
спектра объектов, в том числе, антенн, устройств СВЧ, объектов 
больших электрических размеров (рис. 1.1)[1-4]. 

В основу вычислительных алгоритма положен метод моментов 

(МоМ) решения интегральных уравнений в частотной области. В 
программе реализовано несколько модификаций метода моментов в 
зависимости от рассматриваемой задачи:

− 
поверхностные 
ИУ 
(SEP)
относительно 
плотностей 

электрических и магнитных токов, их использование характерно для 
металлических тел и однородных магнитодиэлектриков;

− объемные ИУ (VEP) относительно объемных плотностей 

электрических 
и 
магнитных 
токов, 
что 
характерно 
для 

неоднородных магнитодиэлектриков;

− уравнения с использованием функции Грина для многослойной 

среды для плоскослоистых структур;

− интегральные уравнения по средней линии для тонких 

диэлектрических пластин;

− интегральные уравнения для моделирования проводов, 

покрытых диэлектрическим или магнитным материалом.

Учет 
подстилающей 
поверхности 
с 
учетом 
формул 

Зоммерфельда. 

Кроме метода моментов, в пакете FEKO используют методы:
−MLFMM 
(Multilevel 
Fast 
Multipole 
Method)

(модификацияметодамоментов);

− метод геометрической оптики (GO); 
− метод физической оптики (PO);
− метод конечных элементов (FEM).

Рис. 1.1. Набор моделей и методов их моделирования, 

реализованных в FEKO

1.2. Базовые компоненты FEKO

Интерфейс программы FEKO состоит из нескольких базовых 

компонент[1-4]:

CADFEKO
–
создание 
проекта: 
3D-моделирование 
и 

меширование 
геометрии, 
установка 
параметров 
входных 
и 

выходных параметров проекта, информация о модели сохраняется в 
файле *.cfm, а топология − в файле *.cfs;

EDITFEKO
–
это 
альтернатива 
CADFEKO,
подобно 

специфическому языку в виде набора готовых модулей, реализуется 
моделирование, установка входных и выходных параметров 
проекта;

PREFEKO–выполняет моделирование и подготовку входного 

файла (*.fek);

OPTFEKO–выполняет оптимизацию модели в соответствии с 

заданной целевой функцией оптимизации; 

TIMEFEKO–выполняет моделирование во временной области;
ADAPTFEKO–выполняет подстройку изменения шага по частоте, 

выбирая наименьший шаг вблизи резонанса и наибольший шаг в 
области отсутствия резонанса;

POSTFEKO – просмотр результатов решения (*.bof) в виде 

двумерных графиков или трехмерного представления, возможно 
анимационная визуализация результатов;

SECFEKO– выполняет функцию лицензионного менеджера.

1.3. Установки задачи для электромагнитного моделирования
Все параметры проекта, необходимые для запуска задачи на 

решение, можно установить в рамках CADFEKO. 

1.3.1. Заполнение раздела дерева модели Medium
Для решения задачи необходимо однозначно определить 

свойства 
каждого 
элемента 
модели. 
Предварительно 
все 

используемые среды должны быть внесены в список Media «дерева» 
модели (рис. 1.2). 

Рис. 1.2. Операции создания материала с заданными свойствами
Диэлектрические 
среды 
задаются 
опцией 

Createdielectricmedium(рис. 1.3) 
путем 
задания 
относительной 

диэлектрической проницаемости 
r
 , тангенса угла потерь 
)
(
tg
или 

проводимости 
материала 
 , 
относительной 
магнитной 

проницаемости 
r
 , тангенса угла магнитных потерь 
)
(
r
tg 
и 

плотности материала MassDensity(параметр используется для 
расчета удельной поглощаемой мощности). 

Все заданные среды имеют свое уникальное имя, длина имени не 

должна 
превышать 
43
позиций 
(названия 
сред 

Perfectelectricconductor, Perfectmagneticconductor и Freespace) и не 
могут быть изменены пользователем. Каждая среда имеет свое 
цветовое представление, которое задается автоматически, но может 
быть 
изменено 
пользователем 
 
c
помощью 

командыChangedisplaycolour.

Потери в металле задаются опцией Createmetallicmediumпутем 

задания проводимости материала. Поверхностям, граничащим с 
идеально проводящими элементами, нельзя присваивать свойства 
металла 
с 
потерями. 
Также 
нельзя 
установить 
свойства 

твердотельного 
объема, 
как 
металл 
с 
потерями. 
Обычно 

внутреннюю область задают свободными пространством, а толщину 
металла с потерями выбирают больше толщины скин-слоя. 

Многослойные 
поверхности 
задаются 
опцией 

Createlayereddielectricв виде таблицы, для каждого слоя задается 
толщина Thicknessи среда Medium. В разделе Mediumмогут быть 
указаны только диэлектрические среды типа Dielectric.

Предельная толщина диэлектрика или покрытия определяется 

выбранным 
пользователем 
методом 
решения 
задачи. 

Предварительная проверка правильности проекта может дать 
предупреждение, если выбранный метод решения и заданная 
толщина диэлектрика не согласованы. 

В опции Mediaтакже предусмотрена возможность создания 

полосы с импедансными граничными условиями, в окне диалога 
CreateimpedanceSheet задается метка Label и реальная и мнимая 
части импеданса. 

Рис. 1.3. Диалоговое окно создания диэлектрика и металла с 

конечной проводимостью

Рис. 1.4. Диалоговое окно создания многослойной диэлектрической 

среды  и импедансной полосы

1.3.2. Задание ветрозащитного экранаWindscreen
Опция Windscreen
моделирует антенны, расположенные в 

многослойном 
диэлектрике. 
Опция, 
в 
первую 
очередь, 

ориентирована для расчета автомобильных антенн, расположенных 
на лобовом стекле машины. При выборе этой опции необходимо 
описать саму антенну, форму ветрозащитного экрана и параметры 
многослойного диэлектрика. После описания антенны необходимо 
выбрать в информационном «дереве» проекта ее элементы и 
установить 
в 
разделе 
Properties→ 
Solution, 
выбрать 

опциюWindscreen. 
Место 
расположения 
активного 
элемента 

антенны регулируется с помощью опцииoffsetA (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Диалоговое окно создания многослойного ветрового экрана 

с активными элементами (антенной) внутри

Для решения задачи используется метод моментов. Антенна 

должна лежать между слоями, не пересекая их. Ветровой 
многослойный диэлектрический экран можно создать несколькими 

способами:

1) выбрать опции  Model →Addmedium →Windscreen;
2) выбрать опцию Createwindscreen в разделе Media;
3) в разделе Mediaвыбрать Createwindscreen.

1.3.3. Установка свойств среды для элементов модели
По 
умолчанию 
всем 
объектам 
присваиваются 
свойства 

идеального электрического проводника. Среда объема, поверхности, 
ребер и проводников должна быть описана пользователем в 
информационном «дереве», если ее свойства отличаются от 
идеального электрического проводника (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Информационное «дерево» модели с маркерами свойств 

среды

Свойства области типа Region определяется путем диалога в 

опции Regionpropertiesи выбора типа среды в опции Type и Name –
метка среды. Тип среды может быть установлен (рис. 1.6): 

Perfect electric conductor − устанавливается по умолчанию, при 

такой установке граничные поверхности Faceдля этой области не 
могут быть удалены.

Freespace− с помощью этой опции реализуются ограниченные 

пустые объемы, граничные поверхности Faceдля этой области могут 
быть удалены, им могут присваиваться свойства, отличные от 
идеального проводника.

Dielectric–
эта опция устанавливает свойства диэлектрика, 

граничные поверхности Faceдля этой области могут быть удалены, 
им могут присваиваться свойства, отличные от идеального 
проводника. В рамках этого же диалога возможна установка 
локального размера элементов разбиения.

Рис. 1.6.  Диалоговое окно свойств области

В диалоге установки свойствFaceproperties(обратим внимание, 

что под понятиемFaceпонимают как самостоятельные поверхности, 
так 
и 
граничные 
поверхности 
твердотельных 
объемов 

типаRegion)можно 
установить 
свойства 
средыFacemedium

(Default(по умолчанию), Impedance sheet, Lossy conducting surface, 
Perfect electric conductor, Thin dielectric sheet) и локальный размер 
элементов разбиения Localmeshsize и выбрать метод решения 
Solvewithspecialmethod (метод физической оптики, геометрической 
оптики, однородной теории дифракции). Если выбрана опция None, 
то будет использоваться метод, выбранный в общих установках 
проекта (рис. 1.7-1.8). 

Рис. 1.7. Диалоговое окно установки метода решения для области 

типа Region