آموزش نرم افزار FEKO Suite قسمت اول معرفی نرم افزار

نویسنده مطلب : ایمان اکبری
تاریخ ارسال : 2014-12-20 11:28:03

نام Feko به صورت اختصار از عبارت آلمانی FEldberechnung bei Kӧrpern mit bliebiger oberflӓche (محاسبات میدان اجسام با شکل های اختیاری) مشتق شده است. همانطور که از نام آن بر می آید Feko را می توان برای انواع گوناگون تحلیل میدان های الکترومغناطیسی اشیا با شکل های دلخواه بکار برد.

مروری بر Feko

Feko مجموعه نرم افزاری برای تحلیل محدوده وسیعی از مسائل الکترومغناطیسی است. کاربردهای ان در بر گیرنده تحلیل EMC، طراحی آنتن، مدارها و آنتن های ریزنواری، محیط دی الکتریک، تحلیل پراکندگی و بسیاری موارد دیگر می باشند. هسته این نرم افزار مجموعه جامعی از روش های محاسباتی قدرتمند را فراهم می کند و برای تحلیل ورقه های دی الکتریک نازک، اجسام دی الکتریک همگن چند گانه و محیطهای لایه لایه صفحه ای توسعه داده شده است. شکل زیر برخی تکنیک های حل عددی که در Feko قابل دسترس هستند و انواع مسائلی که مرتبط با آن ها می باشند را نشان می دهد.

 

موتور حل Feko

روش مومنت (MoM) یا Method of Moments اساس حل کننده Feko را شکل می دهد. تکنیک های دیگر همچون روش چند قطبی سریع چند سطحی یا Multilevel Fast Multipole Method (MLFMM)، روش المان محدود یا Finite Element (FEM)، نظریه یکنواخت پراش یا Uniform Theory of Defraction (UTD)، اپتیک هندسی یا Geometrical Optic (هدایت پرتو) و اپتیک فیزیکی یا Physical Optic (PO) نیز برای حل کردن مسائلی که از نظر الکتریکی بزرگ هستند و اجسام دی الکتریک ناهمگن با شکل های دلخواه پیاده سازی شده اند. تکنیک های تقریب زنی و شتاب بخشی خاص برای برخی مسائل خاص در دسترس می باشند.
Feko امکان استفاده از پردازش موازی بر روی گستره workstation ها، سرور ها و کلاسترها را فراهم میسازد. عملکرد هر پلتفرم، سیستم عامل و روش بکار گرفته شده برای حصول نتایج دقیق و بموقع بهینه سازی شده است.

 روش مومنت یا Method of Moment

هسته برنامه FEKO بر پایه روش MoM می باشد. MoM حل تمام موج روابط انتگرالی ماکسول در دامنه فرکانسی می باشد. مزیت MoM این است که جزو روش منبع است بدین معنا که تنها ساختار مورد نظر گسسته سازی می شود برخلاف روش های میدان که فضای آزاد پیرامون آن نیز گسسته سازی می شود. شرایط مرزی نیازی نیست تعیین شود و حافظه مورد نیاز متناسب با هندسه سوال و فرکانس حل مورد نیاز می باشد. توسعه های خاص پیش رو نیز در فرمول بندی MoM نرم افزار Feko به منظور قادر ساختن مدل سازی محیط های مگنتیک و دی الکتریک اضافه شده اند.

اصل معادل سطح یا Surface Equivalence Principle)SEP):

SEP جریان های الکتریکی و مغناطیسی معادل بر روی سطح جسم دی الکتریک تعریف می کند. سطح چنان اجسامی می تواند شکل دلخواه داشته باشد و با استفاده از مثلث هایی گسسته سازی می شود.

اصل معادل حجم یا Volume Equivalence Principle )VEP) :

VEP امکان ساخت اجسام دی الکتریک از مکعب شکل ها را فراهم می سازد. به طور نوعی توابع پایه بیشتر از آنچه برای SEP احتیاج بود نیاز است اما مربع شکل های مجاور می توانند خواص الکتریکی و مغناطیسی متفاوتی داشته باشند.

توابع گرین سطحی برای محیط چندلایه یا Planar Green's Functions for Multilayered Media

محیط دی الکتریک چندلایه، همچون زیرلایه ها برای معماری ریزنوار، را می توان با توابع گرین مدل کرد. فرمول تابع گرین خاص، صفحات نامحدود دو بعدی با ضخامت محدود را برای مدل کردن هر لایه دی الکتریک پیاده سازی می کند. سطوح و سیم های رسانای درون لایه های دی الکتریک و اما نه خود لایه های دی الکتریک می بایستی گسسته سازی شوند. سطوح و سیم های فلزی را می توان به صورت دلخواه درون محیط جهت داد و اجازه هست لایه های چندتایی را قطع کنند.(محاسبات با استفاده از توابع گرین با استفاده از جداول درون یابی تسریع داده می شوند).

ورقه های دی الکتریک نازک یا Thin Dielectric Sheets

 لایه های چندتایی ورقه های دی الکتریک نازک و ورقه های غیر همه سو یکسان (anisotropic) را می توان به عنوان یک لایه تکی در FEKO تحلیل کرد. کاربردهای نوعی تحلیل آنتن های پوشیده شده با رادوم(Radome) و شیشه جلو اتومبیل می باشد.

سیم های با پوشش دی الکتریک یا Dielectrically Coated Wire

FEKO دو روش برای مدل سازی پوشش های دی الکتریک و مگنتیک بر روی سیم ها پیاده سازی می کند:
فرمول Popovic شعاع هسته سیم فلزی را برای تغییر بارگذاری خازنی روی سیم تغییر می دهد در حالی که به طور همزمان باز سلفی متناظری را اضافه می کند. روش مذکور از این جهت محدود است که ضریب تلفات لایه می بایست با ضریب تلفات محیط احاطه کننده برابر باشد.
لایه های دی الکتریک خالص ( به طور مثال نفوذپذیری مغناطیسی (permeability) لایه برابر با محیط احاطه کننده می باشد) بهتر است با قضیه هم ارزی مدل شوند که اثر لایه گذاری دی الکتریک توسط یک جریان پلاریزاسیون حجمی محسوب می شود. تنها محدودیت این روش این است که لایه گذاری ممکن است مغناطیسی نباشد.

زمین واقعی یا Real Ground

زمین واقعی را می توان با تقریب ضریب انعکاس یا فرمول دقیق Sommerfeld مدل کرد.

شیشه جلو اتومبیل یا Windscreen

آنتن های شیشه جلو اتومبیل چندگانه که دی الکتریک به صورت مختلف تعریف شده را می توان تا زمانی که خواص شیشه ها یکسان اند تحلیل کرد. این روش حل بسیار سریع تر از مدل سازی شیشه جلو اتومبیل ، آنتن ها و لایه های مورد استفاده با استفاده از هر تکنیک دیگر است.

MLFMM

MLFMM فرمول بندی جایگزین تکنولوژی پشت MoM است و در بسیاری ساختارهای بزرگتر از MoM قابل کاربرد است و حل های بر پایه جریان تمام-موج ساختارهای بزرگ را ممکن می سازد. این حقیقت بیانگر این است که می تواند به بسیاری مدل های بزرگ که قبلا با MoM حل می شدند بدون نیاز به تغییر مش بندی اعمال شود.
نقطه اشتراک بین MoM و MLFMM این است که توابع پایه فعل و انفعال بین تمامی مثلث ها را مدل می کنند. MLFMM از این نظر با MoM متفاوت است که توابع پایه را گروه بندی کرده و فعل و انفعال بین گروه های توابع پایه را محاسبه می کند در حالی که در روش MoM فعل و انفعال بین توابع پایه منفرد محاسبه می شود. FEKO یک الگوریتم جعبه ای که در بالاترین سطح تمامی فضای محاسباتی را در یک جعبه تکی در بر می گیرد بکار می گیرد و این جعبه در سه بعد به حداکثر هشت مکعب فرزند یا Child تقسیم می شود و فرآیند به صورت تکراری تا زمانی که طول هر مکعب فرزند تقریبا ربع طول موج در پایین ترین سطح شود تکرار می شود. تنها مکعب های اشغال شده در هر سطح ذخیره می شوند و ساختار داده شبه درختی موثری را شکل داده می شود. در چهارچوب MoM، MLFMM از طریق یک فرایند تجمع، ترجمه و جداسازی، سطوح مختلف پیاده سازی می شوند.
MoM هر یک از N توابع پایه را به صورت جداگانه در نظر می گیرد از این رو به میزان N2 حافظه نیاز دارد (برای ذخیره ماتریس امپدانس) و N3 زمان CPU (برای حل مجموعه خطی معادلات) نیاز دارد. از این رو واضح است که ملزومات پردازش برای حل های MoM به سرعت با افزایش ابعاد مسئله افزایش می یابد. فرمول بندی MLFMM برای مسئله یکسان بازدهی بالاتری دارا می باشد چرا که به حافظه N*log(N)  و زمان CPU N*[log(N)]2 نیاز دارد. در کاربردهای واقعی این کاهش در ملزومات حل میتواند تا مرتبه بزرگ یا 10x تغییر کند. تلاش های بسیاری نیز برای بهبود فرمول بندی MLFMM موازی برای حصول استثنائا بازدهی بالا حین توزیع شبیه سازی بر روی پردازش گرهای چندتایی صرف شده است.

نظریه یکنواخت پراش یا Uniform Theory of Diffraction

FEKO روش MOM دقیق بر پایه جریان را با UTD به حقیقی ترین معنای کلمه با تزویج بین MOM و UTD در حل پیوند میزند. برای مثال اصلاح ماتریس فعل و انفعال، دقت را تضمین می کند. یک مثال عملی تغییر امپدانس ورودی یک دایپل که با MOM حل شده است خواهد بود که در مجاورت نزدیک با یک ساختار بزرگ که با UTD حل شده می باشد. فرکانس، منابع حافظه مورد نیاز برای حل با UTD یک ساختار را تحت تاثیر قرار نمی دهد چرا که تنها نقاط انعکاس از سطوح و پراش از لبه ها یا گوشه ها بدون مش بندی ساختار در نظر گرفته شده اند. پراش لبه و گوشه، پراش دوتایی (double diffraction) و امواج خزنده (creeping waves) (استوانه ها) در نظر گرفته شده اند. رویت انتشار پرتو ها در POSTFEKO حین پس پردازش (POST processing) فراهم شده است. در حال حاضر فرمول عددی UTD تنها اجازه اعمال آن به صفحات چند ضلعی با حداقل طول لبه از مرتبه طول موج یا استوانه های تکی را می دهد. از این رو UTD به خوبی برای تحلیل کشتی ها در فرکانس های موج رادار یا الکترونیک مناسب است اما برای تحلیل اشکال پیچیده با سطوح انحنا دار به طور مثال اتومبیل ها مناسب نیست.

اپتیک هندسی (پرتاب پرتو) یا Geometrical Optic

اپتیک هندسی (پرتاب پرتو) یک روش بر پایه پرتو می باشد که برای ملاحظه ساختارهای دی الکتریک از نظر الکتریکی بزرگ و رساناها کامل الکتریکی در کاربردهایی مانند تحلیل آنتن های لنز (Lens antenna) استفاده می شود. روش GO مانند UTD با MoM پیوند زده می شود. روش GO در FEKO پرتاب-پرتو و نظریه انتقال، انعکاس و پراش را برای مدل کردن فعل و انفعال بین ناحیه دی الکتریک و MOM بکار می گیرد.

اپتیک فیزیکی یا Physical Optic

PO برای استفاده در جاهایی که ساختارهای از نظر الکتریکی خیلی بزرگ مدل شده اند استفاده می شود. PO یک روش عددی فرکانس بالای مجانبی یا asymptotic با طبیعتی مشابه با UTD می باشد. کاربران معمولا با حل توسط MoM در ابتدا شروع می کنند و زمانی که تشخیص می دهند ساختار از نظر الکتریکی برای حل با منابع موجود (پلت فرم حافظه ، زمان) خیلی بزرگ است آنها به یکی از تکنیک های فرکانس بالای مجانبی تغییر روش حل می دهند.

روش المان محدود یا Finite Element Method

FEM برای مدل کردن اجسام دی الکتریک نا همگن یا از نظر الکتریکی خیلی بزرگ که به صورت موثری با برنامه های افزودنی FEKO به MoM قابل حل نیستند قابل کاربرد است. FEM یک تکنیک مش بندی حجمی است که از هرم شکل ها برای مش بندی حجم های با شکل دلخواه استفاده می کند که خواص دی الکتریکی بین هرمی شکل های همسایه می تواند تغییر کند. مدل سازی FEM در این مورد مزیت هایی دارد چرا که ماتریس های حل FEM کم پشت (sparse) هستند درحالی که ماتریس های MoM پر تراکم هستند و این امر ماتریس های FEM را به طور قابل توجه ای با افزایش فرکانس بهتر قابل مقیاس می سازد. پیوند MoM/FEM به طور برجسته تزویج کامل بین سیم های فلزی و سطوح را در ناحیه MoM و اجسام دی الکتریک ناهمگن (heterogeneous) درون ناحیه FEM را نمایان می کند. ابتدا قسمت MoM حل محاسبه می شود که جریان های مغناطیسی و الکتریکی که مرز تشعشعی ناحیه FEM را شکل می دهند را بدست می دهد. این روش هایبرید از نقاط قوت هر دوی MoM و FEM به شیوه های زیر استفاده می کند :

  • MOM برای مدل سازی موثر ساختارهای تشعشعی مرزی باز که به هیچ گسسته سازی فضایی سه بعدی نیاز نیست استفاده می شود.
  • FEM برای مدل سازی موثر اجسام دی الکتریک ناهمگن بر حسب توزیع میدان درون حجم استفاده می شود.

شبکه های غیر تشعشعی عام یا General non-radiating network

شبکه های عام ( با استفاده از ماتریس های پارامتر شبکه تعریف می شوند) همچون خطوط انتقال غیر تشعشعی را می توان در شبیه سازی های FEKO مورد استفاده قرار داد. این شبکه های غیر تشعشعی را می توان به یکدیگر متصل کرد( به صورت آبشاری یا CASCADE) و مستقیما در پورت ها بار کرده و تحریک کرد. ولتاژ ها و جریان ها در پورت های این اجزای ایده آل شبکه ممکن است با جریان ها و ولتاژ های بر روی پورت مدلی که با استفاده از روش های حل دیگر حل شده است فعل وا انفعال دهد. اگرچه هیچ تزویج بر پایه تشعشعی در نظر گرفته نمی شود.

شرایط مرزی متناوب یا Periodic boundary

ساختارهای متناوب بزرگ و با فاصله برابر از هم را می توان در FEKO با استفاده از روند مرزی متناوب بینهایت شبیه سازی کرد. ان روند را می توان برای فراهم کردن یک حل تسریع یافته دقیق برای بسیاری کاربرد ها همچون تحلیل سطح انتخاب گر فرکانسی یا Frequency selective surface یا به اختصار FSS و تحلیل آرایه های بزرگ مورد استفاده قرار داد.

اجزای مجموعه نرم افزار ی FEKO

واسطه کاربری شامل اجزای CADFEKO، EDITFEKO، POSTFEKO و SECFEKO می باشد.
CADFEKO برای ساختن و مش بندی ساختار هندسی و مشخص کردن پیکر بندی حل و ملزومات محاسباتی در یک محیط گرافیکی استفاده می شود.
EDITFEKO برای ساخت مدل های پیشرفته (هم ساختار هندسی و هم ملزومات حل) با استفاده از یک زبان برنامه نویسی سطح بالا که شامل حلقه های FOR تکرار شونده و اظهارات IF-ELSE شرطی استفاده شده است.
POSTFEKO نتایج را ا فایل خروجی باینری (*.bof) می خواند و می تواند نتایج را بر روی نمودار های دو بعدی یا در ترکیب با ساختار هندسی در نمای سه بعدی نمایش دهد. از POSTFEKO همچنین برای دیدن نتایج بهینه سازی در حین و یا پس از بهینه سازی به همراه ساختار هندسی مش بندی شده در FEKO model به همراه تحریک ها، نقاط در خواست شده برای میدان قبل از راه اندازی FEKO حقیقی استفاده می شود.
QUEUEFEKO ساخت بسته هایی که می توانند به ماشین های کلاستر از راه دور انتقال داده شوند را سهولت می بخشد که بسته در یک صف اجرایی(همچون PBS) قرار داده شده است.
FEKO_UPDATE ابزار خط دستوری یا command line ای است که می توان از آن برای بررسی این که اگر به روز رسانی هایی از یک آرشیو اصلی (اینترنت) یا محلی وجود دارد، استفاده کرد. ابزار به روز رسانی FEKO GUI یک نرم افزار کاربردی تعاملی است که به کاربر امکان اعمال تنظیمات مربوط به بروز رسانی اتوماتیک را می دهد.
SECFEKO_GUI اداره کننده لایسنس FEKO می باشد.
SECFEKO اداره کننده لایسنس FEKO می باشد تمام لایسنس هایی که در فایل secfeko.dat تعیین شده اند (برای لایسنس های node locked) را نشان می دهد یا به سرور های لایسنس شناور متصل می شود و اطلاعات لایسنس را استخراج می کند.
دیگر اجزایی که مجموعه نرم افزاری FEKO را تشکیل می دهند واسطه کاربری گرافیکی ندارند اما با تحلیل و حل مسئله الکترومغناطیسی همانطوری که در اجزای GUI تعریف شده سر و کار دارند. این اجزا به صورت غیر مستقیم از طریق اجزای GUI یا از طریق خط فرمان قابل دسترس می باشند. اجزای حل به صورت کامل توسط یک محدوده بزرگ از پلت فرم ها پشتیبانی شده اند.
PREFEKO مدل را پردازش می کند و فایل ورودی (*.fek) را برای هسته حل FEKO مهیا می کند.
FEKO کد حل کننده حقیقی است. فایل های خروجی ASCII (*.out) و باینری (*.bof) توسط FEKO برای در برداشتن تمامی اطلاعات مربوط به حل ایجاد می شوند.
OPTFEKO یک ابزار برای بهینه سازی یک مدل FEKO مطابق با ملزومات مورد نظر می باشد. OPTFEKO وقتی که در حین بهینه سازی نیاز باشد حل کننده FEKO را فراخوانی می کند.
TIMEFEKO تبدیل فوریه ای بر پایه مکانیزم تحلیل در حوزه زمان برای FEKO فراهم می سازد. TIMEFEKO وقتی در حین فرایند حل نیاز باشد حل کننده FEKO را فراخوانی می کند.
ADAPTFEKO در تولید نتایج نمونه برداری شده تطبیق یافته پیوسته استفاده می شود. ADAPTFEKO وقتی که نیاز باشد توسط هسته FEKO وقتی نتایج نمونه برداری شده پیوسته نیاز است فراخوانی می شود.
CADFEKO_BATCH ابزار خط دستور (command line) است که می تواند برای اصلاح مقادیر متغییر در یک فایل مدل CADFEKO از طریق واسط خط دستور بدون راه اندازی CADFEKO GUI مورد استفاده قرار گیرد.

پلت فرم ها

اجزای هسته FEKO بر روی کامپیوتر های شخصی و workstation ها ممکن است. اجزای GUI همچون CADFEKO، EDITFEKO و POSTFEKO بر روی کامپیوترهای شخصی با سیستم عامل های مایکروسافت ویندوز یا لینوکس قابل دسترس می باشند. تمامی پس- پیش- پردازش ها از این رو می بایستی بر روی یک کامپیوتر شخصی انجام شوند در حالی که محاسبات میدانی که حقیقتاً از جهت محاسباتی زیاد هستند می توانند بر روی یک workstation، کلاستر موازی یا بر روی خود کامپیوتر شخصی هر طور که نیاز باشد اجرا شوند. از طریق GUI نرم افزار FEKO شامل یک ابزار کنترل از راه دور برای اجزایی که به صورت از راه دور کنترل می شوند می باشد که بر روی کامپیوتر شخصی اجرا می شوند.
 

برچسب ها [ شبیه سازی، نرم افزار، الکترومغناطیس، میدان، مایکرویو، معرفی،feko، cad feko، معرفی، موتور حل، solution engine، روش های تحلیل در feko]

نظرات
نظر جدید
172
تعداد اعضا
filter picture
antenna picture