На 1 страницу

         

Диаграмма Смита

  Touchstone

MMICAD

MMICAD LAYOUT

  Microwave Office

 LIBRA

Aplac

Sonnet

HFSS 

ADS

IE3D

FIDELITY

SERENADE

 MOMENTUM

Уравнения Максвелла  

Ряды Вольтерра  

  Метод моментов

  Динамический диапазон

  Мощность насыщения

Шумы 

 

Синтез СВЧ структур

 

 

 

HFSS

Моделирующее устройство СВЧ

Программа трехмерного электромагнитного моделирования для проектирования СВЧ структур

HFSS (High Frequency Structure Simulator) – это мощный пакет программ, который вычисляет многомодовые S-параметры и электромагнитные поля для трехмерной пассивной структуры произвольной формы. Она имеет интуитивный интерфейс, упрощающий описание проекта, мощную программу расчета электромагнитного поля, адаптивную к требуемой точности решения, и мощный постпроцессор для беспрецедентного представления электромагнитных характеристик. Эта программа устраняет традиционное макетирование методом “Cut-and-try” (проб и ошибок), ускоряя и улучшая качество проектирования.

Рис.1. Место HFSS в системе проектирования Serenade

Краткий обзор

HFSS реализует мощь метода конечных элементов (finite element method FEM), используя методы типа автоматического адаптивного генерирования и деления ячеек, метод конечных элементов для  векторов поля и адаптивную развертку (Adaptive Lanczos Pade Sweep, ALPS). HFSS автоматически вычисляет кратные адаптивные решения до определяемого пользователем критерия сходимости. Решения для поля, найденные из уравнений Максвелла, точно предсказывают все дисперсионные характеристики, существующие типы волн, преобразования типов волн, потери в материалах и на излучения.
Рис.
2. HFSS позволяет Вам увидеть диаграмму направленности антенны в дальней зоне.

Ускоряя цикл проектирования, заменяя дорогостоящие и отнимающие много времени методы “cut-and-try”, HFSS становится эффективным автоматизированным макетированием. Анализ антенн, СВЧ линий передачи, переключающих схем, волноводных элементов, фильтров ВЧ и трехмерных неоднородностей сводится к черчению структуры, точному определению материала, идентификации портов и характеристик поверхностей. HFSS автоматически генерирует решения поля, портовые характеристики и S-параметры.

Результаты расчетов S-параметров могут экспортироваться для использования в программах анализа линейных и нелинейных схем, в частности, в Serenade Ansoft (рис.1).

Точный и достоверный расчет

HFSS, разработанная в фирме Ansoft в 1990 году - первая коммерческая программа, которая моделирует сложные трехмерные конфигурации произвольной формы. После этого программа только увеличила свою популярность, потому что она показала инженерам проектировщикам широкие возможности расчета на электродинамическом уровне. Начиная с 1990 года, многочисленные улучшения позволили рассчитывать ближние и дальние зоны диаграммы направленности антенн, введены частотные развертки для широкополосного моделирования, ферритовые материалы для невзаимных приборов.

HFSS содержит FEM решающее устройство шестого поколения с доказанной надежностью для верных и точных результатов. Проектирование с использованием HFSS показывает высокую гарантию того, что разработки будут иметь такие же характеристики, как моделируются.

Адаптивный метод разбиения на блоки делает FEM метод практичным. Начальная ячейка — или подразбиение геометрии в тетраэдральные ячейки — создана на основании структуры, введенной в виде чертежей с помощью пакета CAD. Эта начальное разбиение на ячейки сразу предоставит информацию о решении поля, выделяя области с высокой напряженностью поля или с большими градиентами. Разбиение на ячейки затем уплотняется только там, где необходимо, уменьшая вычислительные затраты при максимизации точности. Если необходимо, пользователи могут ввести адаптивное решение, используя интерфейс программы.

Рис.3. Большие задачи типа этой схемы делителя мощности на 12 путей могут быть решены, используя HFSS. (c разрешения Лаборатории проектирования СВЧ)

 

 

 

 

Мощные возможности черчения рисунков и чертежей

Встроенный блок черчения пространственных моделей ACIS , 100% совместимый с AutoCAD, использует операции:

&127; неограниченные undo/redo
&127;
многократное объединение объектов, вычитание и пересечение
&127;
динамическое вращение геометрии
&127;
выделение/ скрытие объектов по точкам
&127;
сдвиг 2-мерных объектов по пространственным трехмерным линиям
&127;
макро регистрация / создание сценария
&127;
макросы параметризации для сужающихся спиралей, цилиндров и корпусов
&127;
произвольная “истинно - поверхностная” геометрия
&127;
интерактивная контекстно-зависимая справка сразу предоставляет информацию об элементе

Рис.4. Новое средство черчение ACIS создает сложную геометрию. Процесс проектирования максимально автоматизирован для инженера

Разнообразие материалов

Всесторонняя база данных материалов включает диэлектрическую проницаемость, магнитную проницаемость, электрические, и магнитные тангенсы угла потерь для всех материальных сред. Пользователи могут включать однородные, неоднородные, анизотропные, проводящие, резистивные, и полупроводниковые материалы при моделировании. Программное обеспечение также включает возможность моделирования ферритов для невзаимных приборов. Феррит может иметь однородное статическое подмагничивание или, как дополнительный режим, пользователи могут сначала найти магнитостатическое FEM решение, используя трехмерное решающее устройство Maxwell 3D Field фирмы Ansoft.

Рис. 5. Анализ сложных материалов, подобных используемым в ферритовом циркуляторе, позволяется на HFSS

 

 

Библиотека моделей

Ansoft HFSS включает большую библиотеку, которая может использоваться для параметризации, определяя стандартные структуры типа:

&127; микрополосковое T разветвление
&127;
линии, связанные по широкой стороне
&127;
срезанные и несрезанные повороты линий
&127;
радиальные и несимметричные изгибы
&127;
коаксиальные линии с заданным Zo
&127;
круглая и квадратная спираль
&127;
магический Т-мост
&127;
плоские антенны
&127;
спиральные конфигурации

Рис.6. Единичная ячейка 4x4 из щелевых элементов бесконечной фазовой решетки. Это электрическое поле иллюстрирует введенные элементы связи (модель Рафсона)

 Периодические границы для фазовых антенных решеток

Связанные граничные условия (Linked Boundary Conditions, LBC) дают возможность решения нового класса задач, включая активные приборы, которые моделируются, задавая связь полей между двумя или больше границами. LBC экономят компьютерное время и память при моделировании длинных, однородных структур и периодических структур. Периодические LBC обеспечивают многократные сдвигаемые границы, необходимые для фазового сдвига при проектировании антенных фазовых решеток.

Проектировщики могут теперь анализировать отдельную ячейку антенной решетки, чтобы выделить коэффициент активности элемента и полное сопротивление. Исследуя новые проекты, можно обнаружить мертвые зоны антенной решетки, свойство поляризации, и лепестки решетки.

Рис.7. Эти связанные по щели фильтры были модифицированы, исходя из заданных частотных характеристик

Мощные макросы

Пользователи могут сводить сложное черчение и моделирование к простому чтению программой файла макрокоманд. Тогда параметрическое моделирование может выполняться, осуществляя автоматическую запись и повторение, используя встроенный макроязык. Макрокоманды обеспечивают быструю замену геометрических размеров во время пересчета, позволяя пользователям создавать библиотеку конфигураций — основанных на номинальной структуре, — которая позже моделируется, чтобы обеспечить требуемые характеристики, чувствительность к изменению геометрических размеров и оптимальный дизайн. 

Мощные возможности проектирования антенны

&127; Вычисляются антенные характеристики типа коэффициента усиления, направленности, сечения диаграммы направленности в дальней зоне, трехмерных графиков с дальней зоной и ширина луча по уровню 3dB.

&127; Рассчитываются характеристики поляризации, включая сферические компоненты поля, сферические компоненты поля поляризации, компоненты третьей производной поля Людвига (Ludwig’s third definition field components) , и осевой коэффициент (axial ratio).

&127; Моделирование половины, четверти, или симметричной восьмой части устройства и автоматическое вычисление ДН в дальней зоне.

Рис.8. Этот волноводно-коаксиальный переход был первой задачей, решенной на HFSS. Теперь эта задача решается в 550 раз быстрее на версии 6.0. 

Быстрая частотная развертка в широкой полосе

Новый метод быстрой частотной развертки, Adaptive Lanczos Pade Sweep (ALPS) был включен для эффективного широкополосного моделирования. ALPS может уменьшить время моделирования на порядок для структуры, которая справедлива в широком частотном диапазоне, вычисляя полюсы и ноли системы. ALPS учитывает дисперсию портов, для определения зависимости уровня входной мощности от частоты и точного поведения на скате частотной характеристики вне диапазона.

Мощный постпроцессор поля

&127; Обеспечивает анимацию для любого поля, в виде векторов, контуров или заштрихованных контуров.
&127;
Обрабатывает статические и оживляемые чертежи на любой поверхности, включая поверхности сечения объектов, трехмерных поверхностей объектов и на трехмерных пространственных поверхностях.
&127;
Выполняет анимацию векторов поля, скалярного поля или любой заданной величины, используя калькулятор поля.

Рис.9. Пользователи могут видеть ближнее реактивное поле, излучаемое ближнее поле и поле в дальней области.

 Анимация динамической поверхности позволяет видеть чертежи пошагово через циклы вращения и смещения одного кадра за другим. Новейшие способы рисования трехмерной диаграммы направленности, используя “туман” или мягкие переходы цвета позволяют Вам просмотреть поведение поля с беспрецедентной ясностью. Пользователи могут вращать геометрию в реальном масштабе времени с виртуально мгновенными модификациями графика.

Мощный калькулятор поля

Подключаемый калькулятор поля допускает комплексные арифметические, тригонометрические расчеты, операции на поверхности и в объеме, вычисление касательных к кривым линиям и нормали к любой кривой поверхности. Этот мощный калькулятор позволяет манипулировать с полем непосредственно, чтобы вычислить характеристики типа рассеяния мощности, сохраненной энергии и добротности отдельного резонатора. Как во всех других панелях программы, макросы записи и создания сценария и интерактивная справка доступны в постпроцессоре.

Оптимальное проектирование

HFSS имеет мощный макрокомандный язык с возможностью автоматической записью и модификации. Эти возможности используются для автоматизации процесса проектирования, включая параметрический анализ, оптимизацию и планирование эксперимента.

Параметрический анализ

Четырехспиральная левосторонняя антенна широко используется в беспроводной связи, включая GPS приемники. Её диаграмма направленности с круговой поляризацией обеспечивает широкую геосферическую форму с очень малыми обратными лепестками. Модель моделировалась на HFSS для нескольких витков и всех витков. Используя расширенные макрокоманды, проектировщик способен был быстро сделать десятки изменений, чтобы быстро понять, какие параметры сильнее воздействуют на ширину луча антенны, коэффициент усиления и уровень обратного лепестка.

Рис.10. Четырехспиральная антенна
   
                                                             Оптимизация

Эта плоская полосковая антенна часто используется для коммерческих и аэрокосмических устройствах из-за низкой стоимости и относительной легкости производства. HFSS моделирует влияние корпуса карманного приемника на излучаемые свойства антенны. Дифракция из конечного размера корпуса создает пульсации в дальней зоне ДН и изменяет круговую поляризацию. При использовании мощных макросов, проектировщик способен минимизировать пульсацию и оптимизировать структуру по критерию коэффициента усиления и расширения диапазона точной поляризации.

Рис.11. Плоская антенна 

Рис. 12. Коаксиально-волноводный переход.

 Планирование экспериментов

Планирование экспериментов (Design Of Experiments, DOE) позволяет провести относительно немного экспериментов или моделирований, чтобы узнать физические размеры, которые больше всего воздействуют на характеристику и чувствительность. Несколько итераций разработки DOE отрабатывались на данном коаксиально-волноводном переходе. При использовании макросов автоматического отчета и возможности пересчета, инженер автоматизировал процесс DOE, чтобы получить S-параметры, чувствительность как функции длины зонда, длины положения зонда КЗ, и допусков для области неоднородности.

 

 

 

 

Если Вы хотите получить полное описание программы на русском языке, пошлите e-mail по адресу kurushin@mail.ru.
© 2000 СВЧ проектирование
Последняя модификация: февраля 04, 2002