WWW.KNIGI.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 21 |

«Решение оптических и СВЧ задач с помощью HFSS Москва, Оркада, 2012 УДК 621.3.049.77.029:681.3.06 Банков С.Е., Гутцайт Э.М., Курушин А.А. Решение оптических и СВЧ задач с ...»

-- [ Страница 1 ] --

C.Е.Банков, Э.М. Гутцайт, А.А.Курушин

Решение оптических и СВЧ задач

с помощью HFSS

Москва, «Оркада», 2012

УДК 621.3.049.77.029:681.3.06

Банков С.Е., Гутцайт Э.М., Курушин А.А.

Решение оптических и СВЧ задач с помощью HFSS – М, ООО «Оркада»,

2012, 250 с.

Данная книга представляет собой сборник задач, в котором проводится анализ ряда

СВЧ структур, имеющих большую практическую важность. Впервые дается описание программы HFSS Ansoft версии 13.

Программа HFSS версии 13 предназначена для проектирования трехмерных СВЧ устройств и использует несколько методов расчета. При решении важных практических задач, повышенное внимание уделяется особенностям методов расчета и установке опций программы HFSS в ходе построения трехмерных моделей волноводных, микрополосковых и антенных структур. Рассмотрен ряд оригинальных неоднородных структур, фильтров и современных антенн, с линейной и круговой поляризацией, анализируемых с помощью HFSS. Рассматривается решение физических задач, связанных с оптикой, радиолокацией, радиофизикой.

Для инженерно-технических работников, студентов и аспирантов, изучающих проектирование СВЧ приборов и методы расчета электромагнитных полей в неоднородных структурах.

При необходимости более детального ознакомление с предложенным САПР, Вы можете принять участие в семинарах, проводимых авторами в Учебно-консультационном центре ООО «Оркада». Предварительную заявку на обучение, а также на приобретение программы Вы можете направить по эл. адресу: info@orcada.ru, телефону +7 (495) 943-5032 и факсом +7 (495) 943-6032.

Авторы выражают признательность ООО «Оркада» за финансовую поддержку при издании пособия.

УДК 621.3.049.77.029:681.3. © Банков С.Е., © Гутцайт Э.М.

© Курушин А.А.

© ООО «Оркада» – макет, издание 2  Введение HFSS v. 13 - это программа расчета электромагнитного поля для проектирования СВЧ структур, имеющая несколько алгоритмов расчета [1].

Последняя версия программы HFSS выполняет расчеты методом конечных элементов в частотной области, переходные процессы, использует метод интегральных уравнений, а также гибридный подход: метод конечных элементов + метод интегральных уравнений.

Каждый метод в HFSS реализован в виде программы, в которой нужно создать исследуемую структуру, задать параметры материалов и рассчитываемые характеристики. После этого HFSS генерирует сетку для решения задачи методом конечных элементов. В программе HFSS сетка генерируется адаптивно в зависимости от особенностей структуры и особенностей поля в ней.

В HFSS версии 13 сделан большой шаг вперед по сравнению с предыдущими версиями программы, разработанными в фирме Ansoft. В ней выполнены модификации алгоритмов генерации сетки и алгоритмов расчета.

Новый быстрый и устойчивый алгоритм TAU генерирует более качественную тетраэдральную сетку.

Формирование системы уравнений, обеспечивающее смешанный порядок следования ее блоков, а также произвольная декомпозиция области решения, позволяют реализовать в HFSS возможности высокоэффективного расчета (High-Performance Computing HPC).

Программа черчения трехмерной модели была улучшена операциями типа вставки и переноса двумерных и трехмерных моделей (imprinting), а интерфейс был модифицирован для лучшего использования и автоматизации.

HFSS рассчитывает широкий спектр внешних параметров СВЧ устройств и антенн, к которым относятся электрические и магнитные поля, токи, Sпараметры, ближнее и дальнее поле, а также может рассчитать переходной процесс и временнЫе изменения электромагнитных полей [2-4] Разработчики могут быть уверены в точности HFSS при проектировании устройств, которые включают внедряемые пассивные и активные "чипы" и моделировать, таким образом, активные антенны, многослойные интегральные схемы СВЧ, ВЧ/СВЧ компоненты и биомедицинские устройства (рис. В.1, В.2).

  Новыми свойствами в HFSS 13.0 являются:

• Новый, устойчивый метод разбиения на тетраэдры;

• Реализация криволинейных элементов;

• Расчет производных изменения характеристик при варьировании переменных;

• Чтение файлов ACIS R19. 2 (19 версии);

• Улучшенная связь с программой ANSYS DesignXplorer;

• Расчет переходного режима;

• Реализация гибридного метода конечных элементов и метода интегральных уравнений;

• Интеграция с общей платформой ANSYS;

• Многопроцессорное уплотнение сетки разбиения;

• Улучшенная постпроцессорная обработка данных;

• Вывод широкополосных характеристик исследуемых структур.

Рис. В.1. Модель пятизвенного волноводного фильтра, с рассчитанным в комплексе ANSYS температурным распределением Существенно также, что к программе HFSS -13 прилагается ряд примеров, которые можно использовать в качестве шаблонов, и которые показывают новые возможности программы.

HFSS использует в качестве основного инструмента решения электродинамических задач метод конечных элементов. В этом методе весь объем разбивается на тетраэдры, внутри которых поле представляется в виде объемных базисных функций с неизвестными коэффициентами, которые находятся из решения системы линейных уравнений.

В HFSS версии 13 добавлен программный модуль HFSS-IE, реализующий метод интегральных уравнений, который использует двумерные базисные функции, описывающие токи на поверхностях, в том числе объектов с конечной проводимостью, что позволяет описывать диэлектрические и металлические объекты с потерями. Этот метод часто называется методом моментов (МОМ). Модуль HFSS-IE разработан для моделирования больших излучающих структур. Этим методом в HFSS можно выполнить:



• расчет радиолокационного поперечника рассеяния (Radar Cross Section RCS);

• расчет антенны, расположенной на большом объекте, например на автомобиле;

• расчет коэффициента связи между удаленными антеннами;

• расчет электромагнитной совместимости;

• расчет многопортовых СВЧ структур и антенн.  Метод интегральных уравнений в силу особенностей формулировки граничной задачи рассчитывает поле в бесконечном пространстве [5,6].

Поэтому он не нуждается в поверхностях, моделирующих поглощение поля излучения: radiation boundary, perfectly matched layer и т.д. Это избавляет пользователя программы от необходимости окружать излучающий объект замкнутым воздушным объемом (box) с условиями излучения на поверхностях. Также появляется возможность расчета антенн, расположенных над поверхностью земли с конечной проводимостью.

Этот метод работает в стандартном интерфейсе HFSS. Перечислим его особенности:

• излучающие (открытые) объекты описываются без воздушного бокса;

• имеется возможность анализировать объекты, содержащие бесконечные плоские структуры, в том числе бесконечные экраны и т.д.;

• программа допускает использование дискретных источников возбуждения и источников в виде падающих плоских волн;

• программа поддерживает расчет в диапазоне частот, задаваемый в виде дискретных точек и в режиме интерполяции;

• программа производит расчет ближнего и дальнего полей;

• для структур с большими электрическими размерами HFSS-IE использует методы сжатия разряженной матрицы, ускоряющие вычислительный процесс;

• возможно разделение модели на составные части, анализируемые с помощью различных методов расчета.

В HFSS 13 легко реализуется вставка проектов разных типов друг в друга. Чтобы вставить проект HFSS или HFSS-IE достаточно кликнуть Insert HFSS Design или Insert HFSS-IE Design и новый проект появится в дереве проекта под именем HFSSDesignn или HFSS-IEDesignn, где n - номер добавленного проекта в порядке его появления в общем проекте. В проект можно включить больше, чем одну установку на решение. Причем можно задать методы решения HFSS или HFSS-IE, добавляя конструкции, анализируемые разными методами. Каждая установка решения включает следующую информацию:

• общие данные о решении;

• параметры уплотнения сетки разбиения, если нужно, чтобы сетка разбиения была уплотнена в областях с высокой скоростью изменения • диапазон частот анализа.

При решении задачи методом HFSS-IE можно выполнить импорт расчета, выполненного методом конечных элементов в задачу, которая будет решаться методом интегральных уравнений. Для этого можно импортировать рассчитанные в HFSS поля в дальней зоне Far Field Wave или в ближней зоне Near Field Wave. В проект можно включить больше, чем одну установку на решение. Причем можно задать методы решения HFSS или HFSS-IE, добавляя конструкции, решаемые разными методами.

Рис. В.2. Пространственная диаграмма направленности антенной решетки, элементами которой в HFSS-13 могут быть щелевые, вибраторные, спиральные, пач-антенны, антенны Вивальди и др. излучающие элементы В HFSS-13 реализован новый вид порта - порт Флоке. Он используется при моделировании периодических структур. Применение этого порта разберем в следующей главе, в которой будет моделироваться бесконечная граница раздела двух диэлектрических сред.

Благодарим за плодотворные дискуссии, просмотр и обсуждение рукописи к.т.н., в.н.с. Мишустина Б.А. и к.т.н. Подковырина С.И.

1. Моделирование наноструктуры в оптическом диапазоне При проектировании оптических приборов часто возникает задача оптимизации характеристик отражающих поверхностей [7,8]. В качестве перспективной отражающей поверхности в научных исследованиях и прикладных разработках используют периодическую структуру, состоящую из металлических конусов (см. рис. 1.1). Такая структура считается перспективной для создания оптических усилителей, преобразователей частоты и других приборов.

Рис. 1.1. Схема a) и топология б) оптического усилителя, в) фрагмент модели наноструктуры, используемой для создания оптических усилителей Представленная на рис. 1.1 реализация отражающей поверхности не является единственно возможной. Используются также структуры с полусферическими и эллиптическими окончаниями, дисками и т.д. Во всех случаях перед системой электродинамического моделирования стоит задача расчета частотной характеристики коэффициента отражения от периодической структуры.

Формулировка граничной задачи выглядит следующим образом: на бесконечную в плоскости XOY периодическую структуру падает из верхнего полупространства плоская волна. Требуется найти рассеянное структурой поле.

Естественным методом анализа бесконечных периодических структур является применение условий периодичности, которые сводят задачу для бесконечной структуры к анализу одного периода.

Следует отметить, что анализ падения плоской волны на бесконечную периодическую структуру является достаточно новой задачей в практике применения таких программных средств как HFSS. Поэтому, прежде чем перейти непосредственно к расчету структуры показанной на рис. 1.1, целесообразно численно с помощью аппарата периодических граничных условий решить тестовую задачу и сравнить численное решение с аналитическим. В качестве тестовой структуры была выбрана граница раздела двух сред. Для нее известно строгое аналитическое решение в виде коэффициентов отражения и прохождения плоских волн [6, 7], которые будем сравнивать с численными результатами.



Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 21 |