0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

基于域分解的新型FEBI求解器设计方案

电子工程师 来源:网络整理 2018-02-02 05:29 次阅读

有限元法(FEM)作为一种分析和设计工具,已广泛应用于天线微波信号完整性等众多电子工 程领域。FEM求解器与其它矩量法(MoM)和时域有限差分法(FDTD)等数值方法相比拥有多项显着的优势。这些优势包括:能够处理复杂的非均匀和各向 异性材料、能够借助四面体单元准确地描绘复杂几何形状、能够使用高阶基函数实现准确性、具有多种端口和入射波等激励方式。利用这些功能优势,FEM就能够 以极高的准确性对波导结构进行建模。

但是,对于开放空间问题(例如天线向开放空间辐射的时候),FEM求解器需要通过在人工截断的边界 表面上设定辐射边界条件(RBC),以便将无限域截断为有限域。两种广泛使用的RBC包括一阶吸收边界条件(ABC)和理想匹配层(PML),后者通常情 况下都能够提供最佳的准确性。两种方法都保留了FEM系统矩阵的稀疏性,但仅适用于凸起的辐射表面。两种都属于近似方法,都存在准确性问题,比如会产生来 自辐射表面的非物理伪反射。这个问题可以通过增大RBC与辐射结构的间距,让反射降至可忽视的水平,来予以解决。

另一方面,积分方程(IE)法,比如MoM,则非常适合对位于匀质边界或无限大介质中的结构进行建模。其分析内核采用格林函数,可以在无穷远处采用Sommerfeld辐射条件。因此,不管是从内存占用,还是从CPU时间占用来说,对多个在空间上分离,互不相连的同质结构,IE求解器都毋庸置疑地成为更好的选择,因为它不需要对目标之间的空间进行详细的建模。

早在1990年,Yuan就已经成功实现了FEM求解器和IE求解器的混合算法,这个方法现普遍称 为混合有限元边界积分方法(FEBI)。这种方法把边界积分:Sommerfeld辐射条件的MoM解,用作FEM解的截断边界,因此可以在理论上准确地 处理远场辐射条件。这样就引出一系列有意思的特性,比如可用作任意形状的距离辐射体很近的全共形的辐射表面。

本文将介绍ANSYS公司在HFSS中提供的一款全新的FEBI求解器。该求解器得力于近期区域分 解方法的进步。在现有的FEBI方法中,无限未知域被分割为两个互不重叠的域:一个有界FEM域和一个无界同质外部域。两个域间的耦合通过其交界面上的合 适的边界条件加以考虑。

基于域分解的FEBI求解器

FEBI求解器首先将原始的目标域Ω分割为两个互不重叠的子域Ω1和Ω2,如图1所示。

将目标域分解为FEM域和IE域

图1:将目标域分解为FEM域和IE域。

Ω1和Ω2之间的公共界面在FEM域中表达为δΩ1,在IE域中表达为δΩ2.这种区分是必要的, 因为现有的公式允许两个域间的非共形耦合。也就是说,可以分开处理各个域的网格剖分、基函数和基函数阶数、矩阵建立和求解过程。对于一个稳健的FEBI求 解器来说,能够以模块化的方式处理每个域的不同基函数阶数是非常重要的,因为更高阶的IE求解器还在开发的过程中。

根据上述的域分解情况,可以写出如下最终的系统矩阵:

这里,AFE和ABI分别代表FEM域和BI域的系统矩阵。C是两个域之间的耦合矩阵。由于是通过界面上的电流和磁流来实现耦合的,因此这种耦合非常稀疏。等式2的解可以通过把下式拆分后迭代求得

然后用迭代法求得:

域分解法的优势可以从4式中清楚地看出。FEM域和BI域被去耦合了,因此并行化就很容易了。上文已经介绍过,BI可以在FEM中用作准确的截断边界。由于这种实现方式的模块化特征,可以轻松地实现先进的FEM求解器和IE求解器的混合求解。

应用

在本节中,将重点介绍使用这种混合方法的两个例子来突显FEBI的优势。如前文所述,一阶ABC可 以用于足够大的有界共形空间,但这个空间不能有凹陷。另一方面,PML可以拉近与模型的间距,但最适合于长方体有界区域。对混合FEBI技术来说,由于可 以精确计算边界上电流和磁流的耦合,不用考虑这些外形和大小的约束问题。从这种新边界的测试显示可以看出,当间距为λ0/10的时候,能够实现速度和求解 规模的最佳平衡5.这里λ0是开放空间中的波长。另外,FEBI边界可以做到完全共形,包括凹区域。另外,还可以把模型的各个部分独立闭合为单独的域,每 个域都有一个BI边界。通过使用高度共形和分离空间的区域,可以大幅度缩小有限元求解域的范围,从而实现高效率的仿真。为证明这一点,下面将介绍两个例 子,一个使用独立空间,一个使用高度共形边界表面。

第一个例子使用的是完全符合教科书的介质透镜6. 透镜及其馈源喇叭如图2所示。透镜将来自于源天线的电磁场聚焦于正前方。仿真的透镜采用长方体波导管作为馈源,其εr=2.56,正面直径为4.4λ0. 然后使用混合FEBI法对系统进行分离域的建模,馈源喇叭及周围的长方体空间作为一个域,透镜周围的圆锥形区域作为另一个域,每个分离空间的截断面采用 BI边界。

为便于比较,同时采用了PML对该天线系统进行建模,为求得准确的答案,使用了一个更大的长方体空气盒 子将整个模型包在内,并距离辐射体足够的距离以保证结果的准确。与采用PML仿真相比,FEBI模型使用的较小空间可以将内存的占用降低10倍。图中同时 显示了两种仿真计算得出的电场的阴影图。如其显示,虽然FEBI仿真使用的分离空间较小,透镜和喇叭内外和周边的电磁场都得到了准确的计算,并与PML计 算的结果吻合。喇叭的反射系数(Г)随与透镜的距离缩小而增大。在比较加透镜前后的喇叭端口反射时,两种仿真都显示Г有1.8dB的相同增长。图3是两种 方法计算得出的该天线系统的前向方向图。再度体现出FEBI和PML之间的高度吻合。图2和图3说明FEBI在使用分离空间来确定天线系统的特性时,具有 相当的准确性。

采用矩形喇叭馈源的介质透镜

图2:采用矩形喇叭馈源的介质透镜。

透镜的辐射特性

图3:透镜的辐射特性。

第二个例子考查的是一组安装在复杂平台上的天线阵列(图4)。它是一个由螺旋天线组成的7元阵列, 安装在卫星平台上。卫星两端之间的长度为18英尺,天线工作频率3.5GHz.由于这是一个大型模型,所以还是采用域分解法(DDM)来将FEM域分割为 多个较小的域。7这种集成运载平台的天线系统之前曾采用标准的ABC进行仿真,使用大型闭合长方体空间。该模型闭合的空间的体积大约为 21000λ,DDM将求解范围分解为34个域。仿真总共需要的存储为210GB RAM.

安装在卫星上的螺旋天线阵列

图4:安装在卫星上的螺旋天线阵列。

FEBI仿真采用全共形的空间,该共形区域如图所示。闭合的空间体积下降到1200λ3.由于目标 空间缩小,只需要在12个域上应用DDM,仿真只要21GB的RAM就足够了。相对于使用标准RBC求解,FEBI仿真所需的存储大小会大幅度减少。图5 是两种仿真在同等幅度和相位激励下所有天线元的辐射特性,而两种特性实现了完美的吻合。使用FEBI对位于卫星上的等激励天线阵列仿真得出的三维极坐标方 向图如图6所示。根据这个例子可以了解到,通过将FEBI与高度共形的有界域结合使用,可以在单个桌面计算机上能够完成大型复杂天线系统的仿真工作。

安装在卫星上的天线阵列的辐射特性

图5:安装在卫星上的天线阵列的辐射特性。

7元阵列同等激励下的辐射电磁场三维极化图

图6:7元阵列同等激励下的辐射电磁场三维极化图。

本文小结

混合FEBI是HFSS的FEM求解器中功能强大的新成员。设计工程师可以利用这种新技术将FEM 仿真的优势与IE求解器在开放边界问题上的效率和准确性结合在一起。这个方法对共形区域、凹空间和独立空间都能取得相当的准确性,可以让用户缩小FEM求解域的范围,从而大幅度缩短求解时间和减少求解所需占用的内存。

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • hfss
    +关注

    关注

    29

    文章

    167

    浏览量

    49803
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    基于分解FEBI求解分析

    在HFSS中提供的一款全新的FEBI求解。该求解得力于近期区域分解方法的进步。在现有的
    发表于 07-03 07:13

    主板触摸屏,要求设计方案完全同cms5890,但是网上查不到cms5890,求解

    触摸CMS5890芯片资料及原理图,研发主板使用?主板触摸屏,要求设计方案完全同cms5890,但是网上查不到cms5890,求解
    发表于 08-28 11:37

    求一种新型系统级可编程芯片的设计方案

    求一种新型系统级可编程芯片的设计方案
    发表于 05-06 07:44

    求一种DSP+CPLD新型的智能仪器的设计方案

    求一种DSP+CPLD新型的智能仪器的设计方案
    发表于 05-08 07:54

    求一种轮胎压力监测系统的设计方案

    TPMS主要有哪几种实现方式?如何选用新型(遥控钥匙)与接收中几种芯片?一种基于LIN总线分布式实时轮胎压力监测系统的设计方案
    发表于 05-13 06:03

    求一种新型WCDMA直放站PA的设计方案

    求一种新型WCDMA直放站PA的设计方案
    发表于 05-26 06:14

    混合FEBI求解器的实现

      本文将介绍ANSYS公司在HFSS中提供的一款全新的FEBI求解器。该求解器得力于近期区域分解方法的进步。在现有的FEBI方法中,无限未
    发表于 09-15 15:35 11次下载

    IE和FEBI求解器详解及对比

    在最新的HFSS2015里面,HFSS总共有五种算法求解器,HFSS-IE的全称是积分方程法求解器,它是一个基于全波积分方程的电磁场求解器,该求解器采用的是面网格,
    发表于 11-22 16:27 5431次阅读
    IE和<b class='flag-5'>FEBI</b><b class='flag-5'>求解</b>器详解及对比

    基于信号稀疏化欠定求解的居民用户非侵入式负荷分解算法

    非侵入式负荷监测是实现智能用电的关键技术,负荷分解是实现该技术的重要环节。立足于非侵入采集模式下电流信号的欠定求解,研究了一种负荷分解算法。利用居民用户电器启动时间存在时间差的特点,将求解
    发表于 12-19 15:16 4次下载
    基于信号稀疏化欠定<b class='flag-5'>求解</b>的居民用户非侵入式负荷<b class='flag-5'>分解</b>算法

    阻抗分解法在无砟轨道阻抗求解中的应用

    求解收敛困难等。为解决上述问题,提出了阻抗分解的方法,将无砟轨道阻抗分解为内阻抗和外阻抗,其中内阻抗利用无钢筋的二维有限元模型求解,外阻抗利用钢轨电流均匀分布的三维有限元模型
    发表于 02-02 16:50 0次下载
    阻抗<b class='flag-5'>分解</b>法在无砟轨道阻抗<b class='flag-5'>求解</b>中的应用

    区域分解求解多尺度磁暴感应地电场模型

    采用区域分解求解多尺度磁暴感应地电场模型,对每个分解区域采用有限元法( FEM)建模求解。为简化迭代计算过程,避免非重叠区域分解在交界面上
    发表于 04-20 16:18 1次下载

    HFSS的IE和FEBI求解器的详细资料概述

     HFSS-IE的全称是积分方程法求解器,它是一个基于全波积分方程的电磁场求解器,该求解器采用的是面网格,求解的导体和介质模型表面的电流,由于HFSS-IE不需要另外绘制空气盒子并对其
    发表于 11-06 10:40 3次下载
    HFSS的IE和<b class='flag-5'>FEBI</b><b class='flag-5'>求解</b>器的详细资料概述

    新型移动设备无线充电设计方案PPT下载

    新型移动设备无线充电设计方案PPT下载
    发表于 03-25 17:04 129次下载
    <b class='flag-5'>新型</b>移动设备无线充电<b class='flag-5'>设计方案</b>PPT下载

    新型手术制孔机器人设计方案

    新型手术制孔机器人设计方案
    发表于 07-05 14:45 9次下载

    数控直流电流源设计方案

    数控直流电流源设计方案(新型电源技术试卷)-数控直流电流源设计方案,有需要的可以参考!
    发表于 09-15 18:38 52次下载
    数控直流电流源<b class='flag-5'>设计方案</b>