401 Altair 高频电磁仿真技术方案与工程应用_v2023

高频电磁产品体系概述

Feko/newFASANT 功能特点

WRAP 频谱管理与无线覆盖技术

WinProp 电波传播与网络规划

工程应用

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电波传播模型

优势主路径 – DPM

国际电联建议书模型

经验统计模型

高频近似方法

物理光学法 -PO

大面元物理光学法 -LEPO

几何光学法 -RL-GO + 绕射

一致性绕射 -UTD

GTD, GTD+PO

典型的混合方法

MoM+FEM

MLFMM+FEM

MTL+MLFMM/MoM

MTL+FDTD

MoM+ 高频

MLFMM+ 高频

全波精确方法

矩量法 -MoM

高阶矩量法 -HOBF-MoM

近似交叉矩阵 -ACA

多层快速多极子 -MLFMM

特征基函数 -CBFs

有限元 -FEM

时域有限差分 -FDTD

多导体传输线法 -MTL

MTL

国际电联、经验统计模型 – 电波传播模型

DPM / IRT /ITU R P.1411

38 种不同天线， 8 种平台模型 。支持关键词搜索。

两个工作流程

创建一个组件 ( 创建一个新的模型 )

将组件加入现有的模型中

天线模型支持频率缩放，可手动选择求解类型、配置，完成天线布局性能评估。

性能测试

频率选择表面模型

有限元方法计算精细结构的介质模型更加高效，例如：胶层

新版本： FEM 6 核并行，仿真时间 5 分钟；改进前： 48 核 300 小时

“A New Technique for Design of Low-Profile, Second-Order, Bandpass Frequency Selective Surfaces”, Mudar Al- Joumayly and Nader Behdad , IEEE TAP, Vol. 57, No. 2, Feb. 2009, pp. 452-459

MLFMM 仿真电大尺寸问题的面对的主要问题：

随着电尺寸增大，模型收敛性差

模型中存在腔体结构，难以收敛

并行数量增加：内存显著增加

针对以上问题， FEKO 最新版本支持稳定的多层快速多极子技术。

相比传统的 MLFMM ，稳定的 MLFMM 技术不会增加内存需求。

例如：含腔结构、多层天线罩介质、电大尺寸载体天线布局与电磁兼容等

MLFMM 分组中有最多元素的组决定计算时间，因此降低了并行计算的效率。

Feko2020 版本改进该部分，并行效率超过 50%

由于合理分配了基函数，其他阶段也更快（例如，傅立叶变换阶段也更快）

共享内存已用于传递函数索引 (before 2020)

MLFMM 中扩展了共享内存的使用

优点 :

减少同一个节点内存需求

减少进程间的通信 ( 同一个节点上没有通信 )

快速求解 ( 当过程通讯很高时，该现象会更加明显 )

针对多核体系结构， MLFMM的并行扩展性能得到提升，主要反映在 内存占用和仿真时间方面提升：

不同的仿真模型 ，资源需求保持不变 ；

随着电脑核心数的增加，对于网格均匀分布的模型，提升会更显著 。

5800 万 未知量，采用 64 核并行，采用 MPI-3 技术，内存降低 43% 。

算例模型使用 64 个核心数并行计算（ 2 个节点，每个节点有 32 个核心）

2020 版本 VS 2018 版本

计算速度加速 2.2 倍

内存节省 31%

1- 创建模型 – 应用周期边界（ PBC ）和无限大分层结构计算：典型应用：金属 + 吸波材料，频选结构

2- 定义 3D 入射角度 – 计算正交极化

3- 计算传输与反射系数 Transmission / reflection coefficient – 输出 .tr 文件

5- RL-GO 求解面，选择特征面材料

4- 使用 tr 文件创建特征面材料

全波算法无法支持如果复杂的结构仿真， PO 方法，无法考虑微波暗室外侧的金属，并且网格规模巨大，难于划分网格

特征面方法 ：求解电大尺寸的微波暗室静区场分布，静区仿真结果基本合理。

电路串扰法只考虑电缆束中的内部耦合

宽带电路串扰求解器，不启动全波求解器

计算电缆内部耦合的运行加速显著

支持并行，高效，准确，快速的计算模块，用于获取大型电气复杂物体的多普勒频谱。

它包含在 GTD 和 MONCROS 模块中。

大规模无线电和雷达覆盖

共址干扰 (Collocation interference)

卫星通信

频谱管理 (Frequency management)

省和国家规模场景的模拟

地形地貌，通常没有独立的建筑

典型的经验模型

电波传播与频谱管理

发射机部署在地图上

指定发射频率、天线高度等 .

计算覆盖图

绿色 , 黄色 , 红色分别对应良好、中等、较差

除了接收，还有多种类型的结果

案例： WiMAX 站点的优化分布

绿、黄、红：雷达能探测到目标的范围（在给定高度），雷达截面积分别为 100 平方米、 10 平方米、 1 平方米。

干扰机可以包括在分析中

地貌可以被考虑

考虑了地形和地球曲率。

风力发电机散射回雷达，并通过目标返回雷达。

定义和分析卫星网络： 地球站 A( Earth A)  太空卫星 A （ Space A ）  太空卫星 B （ Space B ）  地球站 B( Earth B)

全球计算（ Full spherical calculations ）。

考虑大气层衰减 ( Attenuation due to atmospheric gases) 。

示例：四个空间站的覆盖面积

时间动态分析

计算了全部接收器的噪声增加 .

卫星网络间的干扰

空间服务和地面服务之间的干扰

HF 频段 : 3 – 30 MHz

注意比例尺：大半个大陆

WRAP 计算所有下述存在潜在危险的频率 :

交调（ Intermodulation ）

中频临界（ IF breakthrough ）

镜频（ Image frequency ）

谐波（ Harmonics ）

发射机频谱（ Transmitter spectrum ）

接收机选择性（ Receiver selectivity ）

接收机闭塞（ Receiver blocking ）

电磁干扰发射器（ EMI emitters ）

计算干扰电平

包括：跳频（ Frequency hopping ） , 扩频（ spread-spectrum ）等

基于加权标准的自动优化，例如 – 最小干扰（可能在选定的优先频率上） – 最小总带宽 – 使用的最小频率数量

船平台上无线电系统的同址干扰分析

干扰类型包括同邻信带、互调、谐波、接收机阻塞、中频、镜像等

1> WinProp 提供大量的接口，支持将多种地形、含高程信息的文件以及 CAD 文件直接导入 ，甚至支持利用位图直接创建传播环境，非常方便，完成城区和室内图形化的矢量数据编辑，隧道的建模，以及野外地形的导入（ USGS 、 HGT 、 MSI Planet (Marconi) 、 Siemens Tornado & Tornado N 、 Aircom Enterprise 、 Nokia NetAct & NPS/X 、 Ericsson TEMS 、 Agilent Wizard 、 ASCII Grid (*. asc ) 和 ArcView Shapefile 等）

3> 支持多种混合场景： 可以应用于不同的场景，尤其是 混合场景 （室内 + 室外）

5> API 功能 ，易于集成到其他工具

2> 最全面、精确的 传播环境精确建模

4> 同时具备 ： 电波传播 和 网络规划及网优 功能

室内与室外混合场景

可扩展的 OFDM 设置 : – 子载波的间隔 2 μ × 15 kHz ( 取代固定的 15 kHz) – 带宽范围 5 to 400 MHz ( 取代固定的 20 MHz) – 上下行支持 256 QAM

含波束赋形的天线阵列增加网络容量

空中接口中的 5G 关键词激活 GUI 的变化

设置 numerology 和带宽  这定义了很多 OFDM 的设置 : FFT 阶数 , 子载波的数量 , 符号持续时间 , 保护频带等。

5G 阵列天线 :

宽波束与窄波束

使用多个 MIMO 流

在汽车应用中轨迹距离地面的高度时恒定的

在航空应用中飞机的航迹是 3D 的即飞行的高度是变化的

应用包含飞机和无人机等飞行器与地面站的通信

支持速度、偏航、俯仰、滚动参数定义

天线阵列

阵列规模： 1265 单元， 939 170 未知量， MLFMM 精确求解

幅度加权： -30dB 加权

仿真时间： 3.3min ， 24 核并行

内存： 106GB

单元数量： 1600 单元；未知量： 2 371 782

求解器： MLFMM 精确求解

幅度加权：均匀阵列

仿真时间： 23.7min ， 24 核并行

内存： 165GB

单元数量： 50 * 40 单元；，金属网格： 2056382 ，介质网格： 2608748 未知量： 12,995,390

求解器： MLFMM 精确求解

幅度加权：均匀阵列

仿真时间： 14.33h ， 40 核并行

内存： 461.69 GB

主反射面直径 600mm

仿真频率： 80GHz ，模型电尺寸： 160 倍波长

网格规模： 2 247 090

600mm

波纹喇叭天线

130 个波纹

波纹属于 精细结构

计算方法：稳定的多层快速多极子

Intel(R) Xeon(R) Gold 6348 CPU @ 2.60GHz; 2 physical CPUs with a total of 56 processors

波纹喇叭 (130 个波纹 ) + 多面反射镜 一体化：

未知量： 5 108 824

计算方法：稳定的多层快速多极子

Intel(R) Xeon(R) Gold 6348 CPU @ 2.60GHz; 2 physical CPUs with a total of 56 processors

148 倍波长

天线布局

船体长度 180m ，频率 300MHz

单极子天线布局，船体长度 180 倍波长

未知量： 1754578

24 核并行计算： 0.225 小时

仿真内存： 36.5GB

仿真结果：表面电流，场强、天线布局方向图

仿真 1GHz ，单极子天线布局，船体长度 600 倍波长

未知量： 18763306

20 核并行计算： 6.9 小时

仿真内存： 336.349 GB

无人机载体翼展： 14.84m

仿真频率： 20GHz ，模型电尺寸 989 倍波长

天线阵列： 24 元微带阵列

求解器：多层快速多极子

通过采用球谐函数来表示傅里叶系数 ( Fourier Coefficients) ，从大型模型测试的情况看内存占用量最高降低了 40% *

2020.0.2:

SUMMARY OF MEMORY REQUIREMENT MLFMM (in GByte )

(in total for all parallel processes)

Near field matrix: 72.283

Far field matrix

Direction vectors Fourier trans: 18.236

Fourier trans. basis functions: 545.374

Transfer function (estimated): 27.391 Interpolation and filtering: 113.324

Matrix-vector-multiplication: 561.436

total: 1338.044 Gbyte

2021.0:

SUMMARY OF MEMORY REQUIREMENT MLFMM (in GByte )

(in total for all parallel processes)

Near field matrix: 72.283

Far field matrix

Direction vectors Fourier trans: 18.236

Fourier trans. basis functions: 119.308

Transfer function (estimated): 27.111

Interpolation and filtering: 113.324

Matrix-vector-multiplication: 565.143

total: 915.405 Gbyte

* 实际总的内存占用量降低的情况与具体的模型及 CPU 的数量有关

SAAB JAS-39  （ 鹰狮战斗机 ） L-band blade

天线与天线罩

天线单元方向图与 S11

刀型天线安装在机身下方

横滚面与俯仰面方向图（ 1090 MHz ）

Airbus A380 天线耦合 – 共址干扰分析

4G 天线分别安装在：鲨鱼鳍、手套箱、后置物架、车顶前部

例如：增益限值 -15dBi ，当增益低于该值判定失效，天线安装到车体，方向图均有明显起伏，综合考虑多个频点全向性，显示车顶前部的位置最优。

同时考虑天线的辐射效率：手套箱的辐射效率较低，其他位置各有优劣。

鲨鱼鳍

手套箱

后置物架

车顶前部

4G 天线单元方向图

具有单层、多层或镀膜的不同玻璃对场强分布的影响
薄金属红外涂层（例如 d = 6nm ，电导率 = 61.73 MS / m ）可能会破坏天线性能，并且可能会显着提高车辆内部的电场水平

f = 2.4 GHz

无 IR 镀膜

有 IR 镀膜

+ 8 dB

天线罩仿真

典型应用：天线罩、天线阵列、介质透镜天线等领域

测试平台： Intel(R) Xeon(R) Gold 6348 CPU @ 2.60GHz ， 28 核 /CPU

波导缝隙阵列

728 个缝隙：金属网格数 445 150

工作频率： 17GHz

未知量： 668 185

计算方法：多层快速多极子 + CFIE

Intel(R) Xeon(R) Gold 6348 CPU @ 2.60GHz; 2 physical CPUs with a total of 56 processors

波导缝隙阵列 / 工作频率： 17GHz

728 个缝隙 ( 精细结构 ) ：金属网格数 445 150

天线罩：

三层天线罩：介质网格数 2 113 968

波导缝隙阵 + 三层天线罩 ( 薄层 ) 一体化：

未知量： 7 014 691

计算方法：稳定的多层快速多极子

Intel(R) Xeon(R) Gold 6348 CPU @ 2.60GHz; 2 physical CPUs with a total of 56 processors

+

微带天线阵列

单元数： 25 x 25 =625 ，属于精细结构

网格数 / 金属 ： 133 985 + 介质： 20 617

未知量： 457 321

计算方法：稳定的多层快速多极子

Intel(R) Xeon(R) Gold 6348 CPU @ 2.60GHz; 2 physical CPUs with a total of 56 processors

微带天线阵列 / 工作频率 12GHz

天线单元： 25 x 25 = 625 ，属于精细结构

天线罩：

三层天线罩，属于薄层结构

微带天线阵列 + 三层天线罩一体化：

未知量： 5 540 625

计算方法：稳定的多层快速多极子

Intel(R) Xeon(R) Gold 6348 CPU @ 2.60GHz; 2 physical CPUs with a total of 56 processors

+

目标电磁隐身

频率

L 波段

1~2GHz

C 波段

4~8GHz

CBFs- 特征基函数（四边形 + 三角形混合）

部分问题（比如封闭的金属体）：多层快速多级子 MLFMM

MoM- 矩量法

单站 RCS 方法

S 波段

2~4GHz

ku 波段

12~18GHz

X 波段

8~12GHz

50 波长

MoM- 矩量法（三角形）

100 波长

ACA- 自适应交叉矩阵近似（三角形）

1000 波长

500 波长

PO/LEPO （平面三角形）

RLGO （平面或曲面三角形）

GTD+PO

电尺寸

高频近似方法

全波精确方法

飞机长度 20m ，仿真 500MHz ，单站 RCS

网格数量： 138 273 ；求解器： ACA

Theta=90° ， Phi=0~360° ，步进 0.5° ，正交极化，共计 1442 角度

Feko2022 版本 ACA 加速 10%

垂直极化

水平极化

飞机网格

飞机长度 20m ，仿真 2GHz ，单站 RCS

模型电尺寸： 133 倍波长

网格尺寸： lam/6

网格数量： 924 965 ；求解器： ACA

Theta=90° ， Phi=0~180° ，步进 1° ，共计 181 角度

ACA 直接求解器可以显著降低内存需求，并缩短单站 RCS 仿真时间。

ACA 可以直接求解 100 万网格的模型

该技术适合低散射目标的仿真： （＜ -40dBsm ）

杏仁核 3D RCS

杏仁核 2D RCS

杏仁核 2D RCS （不同切面）

三棱柱金属与吸波结构，高度 0.37m

材料 1 ：介电常数 4 ，损耗角正切： 0.075

材料 2 ：介电常数 1.4 ，损耗角正切： 0.5

吸波结构模型

8GHz 单站 RCS 仿真结果

12GHz 单站 RCS 仿真结果

进气道模型模型尺寸 8.5m

入射角度： Theta=90° ， Phi=0~360 ，步进 1°

水平与垂直极化

进气道模型尺寸 8.5m ，进气道口面高度 0.9m

求解器：稳定收敛的多层快速多极子

单一入射角度

仿真频率： 600MHz

翼展宽度： 52.48m ，模型电尺寸： 105 倍波长

网格数量： 445 698

入射角度： Theta=90° ， Phi=-60°~60° ，步进 0.5°

求解器： ACA 全波求解器（ 20 核并行）

内存需求 ： 383 GB

仿真时间： 45.49 小时

战斧导弹 RCS

工作频率 12GHz

平面波： theta=90° ， phi 0~180°/2° 采样

MLFMM 支持厚涂敷吸波材料

厚度： 2mm 约为介质波长 /6

相对介电常数 4.5

损耗角正切： 0.854

磁损耗角正切： 0.12

注意：后吸波材料必须定义有厚度的金属上

无人机载体翼展： 14.84m

局部涂覆

介电常数 3 ，损耗角正切 0.5 ，磁导率 2 ，磁损耗正切 0.3

厚度： 5mm

入射角度： Theta ： 90° ， Phi=0~180 ，步进 1°

求解器： MOM+ 厚涂覆， MLFMM+ 厚涂覆

注意：厚涂需要定义有厚度的金属表面

无人机编队： 5 架无人机

求解器： GTD+PO ，支持多次反射

电磁兼容

70MHz 场强分布

1GHz 场强分布

采用 MLFMM 求解时，建议按照 2 倍频分段划分求解

分段计算 MLFMM 求解效率可以充分发挥

1 虚拟实验室场强对标

2 整车抗扰度

仿真

3 输出谐振频点与车身谐振结构电流云图

4 仿真结果与实验测试场强

对标，风险频段与 EMC 故障现象对应

修正模型，改善仿真与测试的对比精度；

增加线束模型，分析骚扰信号通过线束干扰设备

虚拟实验室功率校准

Step1. 按照实验室天线与转台实际位置建模模型，天线模型加 + 金属地板，以下参数：天线的架设高度，天线的倾角，天线顶端与探头的距离；

Step2. 按照校准探头的坐标位置，分别定义： 0.5/0.8/1/1.2m 四个高度的近场探头；

Step3. 天线加载 1W 发射功率（设置 为无失配损耗）， 根据 11451-2 标准的频点计算四个探头的场强值，取平均值，输出数据 E1 ；

Step4. 依据 EMC 限值，限值的场强为 E2 ，校准的功率 P=1*(E2/E1)^2 ，得到功率校准文件；

自动化输出敏感位置的场强分布；

分析敏感位置的场强是否超标，重点关注谐振频段，此时场强显著高于 ISO-11451-2 的限值，抗扰度试验中存在 EMC 风险

通信覆盖与网格规划应用

网络规划的输出

整体的接收功率及信号与干扰加噪声比（ SNIR ）

位置优化

最大速率

评价方法：低于 -110dBm 为弱覆盖区域

楼宇内办公室区域 W-LAN 下行的最大接受功率分布图

工作频率 2GHz ，采用精度 5cm ，计算时间 76s

采样不同高度功率分布

支持功率文本数据输出

从纯汽车天线评估到真实和虚拟驾驶测试。

驾驶测试的价值：

最终用户性能

真实的性道特性（ SINR ），包含基站

驾驶测试的缺点：

可用频段受限制

测试时间长

虚拟驾驶测试的目标：

系统设计和天线优化

作为实验的补充和替代

测试场地位于：德国罗森海姆

顺时针驾驶，三扇区基站，测试线路全长 14.6Km

FEKO 分析天线安装在车体的 3D 方向图， WinProp 分析城市场景下，车载天线接收功率

支持隧道场景仿真，计算隧道内部信号覆盖效果，支持泄露线缆

其他

通过使用介质表面阻抗近似，可以实现自由空间中均匀介质区域内 SAR 的快速求解。 FEM 、 SEP 或 VEP 等方法计算比吸收率（ Specific absorption rate – SAR ）是非常耗费时间和内存的。

暗室尺寸： 10mX3mX4m

仿真频率： 2GHz ，电尺寸 66.7 倍

求解器： MLFMM