Обзор возможностей ANSYS HFSS для трехмерного моделирования СВЧ-устройств произвольной геометрии

Евгений Буторов
Инженер технической поддержки отдела инженерного анализа Группы компаний «ПЛМ Урал» — «Делкам-Урал»
Андрей Ларионов
Инженер технической поддержки отдела инженерного анализа Группы компаний «ПЛМ Урал» — «Делкам-Урал»

Сегодня мы наблюдаем бурное развитие высокочастотных и сверхвысокочастотных радиоэлектронных систем. Подобные устройства обеспечивают функциональность и эффективность сложных вычислительных комплексов, современных систем связи, радиолокации и навигации, применяемых в авиационной, оборонной и космической промышленности. Разработка и создание устройств, соответствующих современным рыночным требованиям и потребностям заказчиков из высокотехнологичных отраслей, предполагает использование передовых инструментов и методов, позволяющих выполнить инженерные расчеты для определения функциональности и рабочих характеристик будущего устройства. Одним из инструментов, позволяющих выполнить проектирование ВЧ/СВЧ­устройства, рассчитать его технические характеристики, провести компьютерный эксперимент, моделирующий условия реального мира, является линейка инструментов для инженерных расчетов, разработанная американской компанией Ansoft, LLC. В 2008 году компания Ansoft вошла в состав корпорации ANSYS — мирового лидера в области компьютерных инженерных расчетов.

Многие инженеры, разрабатывающие ВЧ/СВЧ­устройства, слышали об инструменте HFSS. В этой статье мы расскажем о его возможностях и приведем примеры его применения при решении прикладных задач.

Что такое HFSS

HFSS — инструмент для трехмерного моделирования ВЧ/СВЧ электромагнитных полей. На рисунке, приведенном ниже, представлен пример построения диаграммы направленности прямоугольной микрополосковой антенны GPS, установленной на крыше автомобиля в области открывания люка.

Технология HFSS позволяет выполнять расчет электрических и магнитных полей, токов, S­параметров и излучений. Процесс выполнения расчета полностью автоматизирован, пользователю необходимо задать геометрические параметры, свойства материалов и желаемый результат. HFSS автоматически строит сеточную модель, соответствующую конкретной задаче.

Диаграмма направленности прямоугольной микрополосковой антенны, установленной на крыше автомобиля в области открывания люка

Распределение поверхностных токов синусоидальной антенны

Этапы работы в HFSS

Использование HFSS позволяет решать задачи расчета радиочастотных и микроволновых устройств, исследовать электромагнитную совместимость, например, при разработке высокочастотных компонентов, применяемых в принимающих и передающих частях коммуникационных систем, радиолокационных системах, спутниках и сотовых телефонах. Кроме того, HFSS используется для расчета электромагнитного взаимодействия между соединительными элементами, линиями электропередачи, переходными отверстиями печатных плат, а также для расчета высокоскоростных компонентов, применяемых в компьютерных серверах, устройствах хранения данных, мультимедийных персональных компьютерах, развлекательных и телекоммуникационных системах.

Начальное сеточное разбиение модели волноводного ППФ

Для решения уравнений электродинамики HFSS используется метод конечных элементов (Finite Element Method, FEM), включающий адаптивное генерирование и деление ячеек. Решения для электромагнитного поля, полученные из уравнений Максвелла, позволяют точно определить все характеристики СВЧ­устройства с учетом возникновения и преобразования одних типов волн в другие, потерь в материалах и на излучение и т.д.

HFSS предоставляет возможности моделирования антенн, делителей мощности, схем коммутации, волноводных элементов, фильтров СВЧ и трехмерных неоднородностей, описание которых сводится к построению трехмерной геометрической модели, заданию свойств материала, идентификации портов и требуемых характеристик. В результате расчета находятся поля внутри и вне структур, а также многомодовые S­параметры.

Проектирование с применением HFSS обеспечивает высокую точность расчетов; полученные при моделировании характеристики совпадают с физически измеренными характеристиками. Однако для получения достоверных результатов нужно выбрать правильные параметры расчета. Это относится к корректному построению геометрической модели, точному заданию свойств материалов анализируемой структуры, к выбору машинных ресурсов, возможности которых определяют, насколько мелко можно разбить пространство на элементы декомпозиции, а также то, как быстро машина может решить задачу, используя метод адаптивного уплотнения сетки. Немаловажное значение для успешного выполнения расчета имеет и то, насколько обоснованно и верно выбрано количество анализируемых мод в сложных элементах устройства.

Адаптивно сгущенная сеточная модель волноводного ППФ

Мощным средством повышения эффективности выполнения решения является адаптивный метод уплотнения сетки, который состоит в следующем: начальные тетраэдральные ячейки создаются на основе структуры. Это начальное разбиение на ячейки предоставляет грубую информацию о поле, выделяя области с его высокой напряженностью или с большими градиентами. Разбиение на ячейки затем уплотняется только там, где поле претерпевает резкое изменение, снижая вычислительные затраты при повышении точности.

При необходимости пользователи могут вести адаптацию вручную, используя интерфейс программы. Пользователь может задать уплотнение, основанное на длине или глубине скин­слоя.

HFSS располагает обширной базой материалов с заданной диэлектрической проницаемостью, магнитной проницаемостью, с электрическими и магнитными тангенсами угла потерь для всех материалов. Пользователи могут использовать однородные, неоднородные, анизотропные, проводящие, резистивные и полупроводниковые материалы при моделировании. Программа включает возможность моделирования ферритов для невзаимных приборов. Феррит может иметь однородное статическое подмагничивание.

Гибридное кольцо и его S-параметры

Типы решений

HFSS позволяет пользователю решать широкий круг задач. Для различных типов задач применяется один из четырех типов решения: Driven Modal, Driven Terminal, Eigenmode, Transient.

При типе решения Driven Modal HFSS вычисляет многомодовые S­параметры пассивных СВЧ­структур типа микрополосковых линий, волноводов и других линий передачи.

Диаграмма направленности спиральной антенны

Спиральная антенна и ее диаграмма направленности

Алгоритм работы HFSS

Тип решения Driven Terminal выбирается, если вы хотите вычислить S­параметры многопортовой структуры, подключенной к нагрузкам. S­матрица будет выражаться в терминах отношений напряжений отраженных и падающих волн в портах многополюсника.

Тип решения Eigenmode предназначен для расчета собственных волн или колебаний структуры. Решающее устройство Eigenmode может находить собственные моды структур без потерь, структур с потерями, а также вычислять собственную добротность резонатора.

Тип решения Transient используется для трехмерного полноволнового электромагнитного расчета переходных процессов методом Галеркина (DGTD). С его помощью инженеры могут исследовать приложения, связанные с ударным возбуждением, например георадары (GPR), электростатический разряд, электромагнитную интерференцию и т.д. Другие приложения включают рефлектометрию во временной области (TDR) и визуализацию полей входных импульсов общего вида во времени. Эта технология дополняет технологию HFSS для анализа в частотной области и является инструментом, позволяющим инженерам в деталях понять электромагнитные характеристики разрабатываемых устройств и систем.

Типы решения HFSS

Модуль Optimetrics

Программа HFSS располагает специальным модулем Optimetrics, который позволяет инженерам определить оптимальную конструкцию из всех возможных вариантов. Он включает пять подмодулей: Parametric, Optimization, Sensitivity, Tuning, Statistical, предназначенных для определенных целей. Рассмотрим некоторые из них.

Parametric (параметризация)

Выполнение параметризации дает возможность моделировать несколько вариаций конструкции, используя одну начальную модель. В этом режиме изменяются одна или несколько переменных. Каждая переменная изменяется в своих пределах. В результате вы можете сравнивать результаты, чтобы определить, как каждое изменение параметра конструкции влияет на характеристики проекта. Параметрическая оптимизация часто становится первым шагом к улучшению конструкции, потому что она помогает определить разумный диапазон переменных значений. В проекте можно изменять параметры материалов, размеры, параметры граничных условий, например дискретных элементов L, C и R и источники возбуждения. Число вариаций, которые задаются при установке изменений параметров, ограничено только вычислительными ресурсами компьютера.

Optimization (оптимизация)

В процессе оптимизации цель оптимизации задается в виде целевой функции. Модуль Optimetrics изменяет значения параметров так, чтобы получить требуемое значение. Целевая функция может быть любой характеристикой, которую HFSS может вычислять, например значения поля, любой из S­параметров и др.

Параметрический анализ полосового фильтра

Процесс оптимизации полосового фильтра

Результат оптимизации

Обработка результатов вычислений

Постпроцессор выполняет обработку данных после расчета поля. С его помощью можно вычислить различные характеристики: мощность рассеяния, поглощенная энергия, добротность, S­параметры и связанные с ними характеристики. Также могут быть рассчитаны абсолютные значения полей. То есть в каждой точке пространства можно вывести модуль и фазу векторов Е и Н электромагнитного поля. Уникальные возможности заключаются в том, что поле можно анализировать во всевозможных сечениях, а также анимировать распределения полей, изменяя фазу возбуждающего генератора, что создает впечатление прохождения поля через структуру. Пользователи могут вращать структуру в реальном времени с мгновенными модификациями графиков.

Диаграмма направленности рупорно-параболической антенны

Калькулятор поля

Калькулятор поля выполняет вычисления, используя рассчитанные значения полей. Он вычисляет функции от компонентов электромагнитного поля, максимальные и минимальные значения поля, записывает рассчитанные данные в файл и т.д. При помощи калькулятора поля возможно выполнение интегрирования по линиям, поверхностям, по частям области решения или по ранее определенным поверхностям и объемам.

HFSS­IE­решатель

Начиная с 12­й версии в HFSS имеется новый решатель HFSS­IE (IE — интегральные уравнения). Это новый опциональный пакет, выполняющий вычисление токов в проводящих и диэлектрических поверхностях на границе свободного пространства с применением метода моментов (MoM). Пакет HFSS­IE эффективен для изучения рассеяния больших, преимущественно проводящих структур. Так же как и в HFSS, в нем используется алгоритм адаптивного формирования оптимальной сетки, гарантирующей получение достоверных результатов. В технологии HFSS­IE применяется метод адаптивной перекрестной аппроксимации (Adaptive Cross Approximation, ACA) вместе с итерационным матричным решателем для уменьшения требований к вычислительным ресурсам, что позволяет применять его для широкого круга задач.

Гибридный метод конечных элементов и интегральных уравнений (FE­BI)

Данный метод применяется в HFSS версии 13.0 и более поздних. FE­BI вобрал в себя лучшее из обоих методов (метода конечных элементов и метода моментов): способность метода конечных элементов работать со сложной геометрией и способность метода моментов напрямую вычислять функции Грина для свободных границ в задачах излучения и рассеяния.

Система из двух рупорных антенн, разнесенных в пространстве. Каждый рупор ограничен боксом с граничными условиями типа FE-BI

При помощи этой технологии разработчики антенн могут достичь гораздо большей, практически идеальной точности в задачах расчета поля излучателей в дальней зоне, тем самым повышая надежность разрабатываемых изделий. Объем выполняемых вычислений может быть значительно уменьшен благодаря применению конформных излучающих границ, в том числе вогнутых границ, что сокращает общее количество конечных элементов.

Возможности высокопроизводительных вычислений (HPC)

Возможности высокопроизводительных вычислений (High­Performance Computing, HPC) позволяют осуществлять параллельные вычисления на локальном компьютере и на кластерах.

Функция распределенных вычислений

Функция распределенных вычислений (Distributed Solve Option, DSO) позволяет распределять параметрические качания частоты для исследования влияния геометрии, материалов, границ и возбудителей. Кроме того, пользователи могут распределять качания частоты для получения откликов в интересующем их широком диапазоне частот. Данная функция группирует многие предварительно заданные параметрические изменения геометрии и частоты, выполняет решение для выбранных параметров на отдельном компьютере, а затем объединяет полученные данные. Это значительно сокращает время, необходимое для параметрических исследований и оптимизации конструкций.

Антенна с обтекателем

Метод декомпозиции доменов

Метод декомпозиции доменов (Domain Decomposition Method, DDM) позволяет проводить численное моделирование очень больших моделей посредством использования памяти нескольких компьютеров. Метод DDM автоматически разбивает сетку конечных элементов на множество меньших подсеток (доменов). HFSS определяет оптимальное число таких доменов в зависимости от размера сетки, количества компьютеров и применяемых процессоров. Домены анализируются независимо на отдельном компьютере или в сети компьютеров, после чего с помощью итерационной процедуры доменных интерфейсов реконструируется полное решение. Такой доступ к сетевой памяти позволяет выполнять численное моделирование очень больших моделей, для которых может не хватить памяти отдельного компьютера, а также уменьшает время, затрачиваемое на моделирование, и среднюю загрузку памяти.

Выполнение высокопроизводительных вычислений

Многопроцессорные вычисления

Многопроцессорные вычисления (Multiprocessing, MP) позволяют использовать многоядерные процессоры с общей внешней памятью при численном моделировании HFSS методом конечных элементов или интегральных уравнений. При задействовании многих ядер такие этапы вычислительного процесса, как факторизация матриц, формирование сетки и восстановление поля, могут быть выполнены гораздо быстрее.

САПР и графика 1`2012