Моделирование антенн в ANSYS HFSS

Группа компаний «ПЛМ Урал» — «Делкам­Урал», официальный партнер компании ANSYS, представляет вашему вниманию перевод статьи, рассказывающей о применении решений ANSYS HFSS для моделирования СВЧ­устройств. Все вопросы, касающиеся статьи и программного обеспечения, вы можете задать нашим техническим специалистам по продуктам ANSYS на сайте www.cae­expert.ru и www.cae­club.ru. Перевод выполнен Евгением Буторовым, инженером технической поддержки ГК «ПЛМ Урал» — «Делкам­Урал». Оригинал статьи находится на сайте http://www.ansys.com/staticassets/ANSYS/staticassets/resourcelibrary/techbrief/ab­ansys­hfss­for­antenna­simulation.pdf

В современном мире антенны используются практически везде — начиная с повсеместно используемых мобильных телефонов, RFID­меток и беспроводных принтеров и заканчивая устройствами в оборонной промышленности, такими как фазированные антенные решетки для радиолокационных систем самолетов или спутников. Программы электромагнитного моделирования — это полезные инструменты в разработке антенных систем, позволяющие инженеру еще на этапе проектирования виртуально оценить различные сценарии работы устройства.

Статья посвящена моделированию антенн в программе ANSYS HFSS, которая является признанным лидером среди 3D­программ электромагнитного моделирования СВЧ­устройств и высокоскоростных устройств обмена данными.

ANSYS HFSS обладает несколькими решателями (метод конечных элементов, метод моментов, гибридные методы, физическая оптика и т.д.) и поэтому отлично подходит для разработки самых разнообразных ВЧ­ и СВЧ­устройств, включая антенны с учетом расположения на платформе. Наличие такого числа решателей позволяет ему быть очень гибким и в то же время универсальным программным продуктом.

На рис. 1 представлены основные области применения антенн. ANSYS HFSS, обладая несколькими технологиями моделирования и автоматическим адаптивным сеточным генератором, заслуженно является золотым стандартом точности вычислений.

Рис. 1. Основные сферы применения антенн. Примеры анализа
в ANSYS HFSS

Миниатюризация антенн, ограниченная пропускная способность канала, сжатые сроки разработки устройства, взаимодействие антенны с другими компонентами и т.д. — все это представляет серьезный вызов для инженера­разработчика. Для преодоления этих проблем ANSYS HFSS предлагает точное и эффективное автоматическое решение, что делает его наиболее удобным инструментом для моделирования антенн. В ANSYS HFSS могут быть проанализированы такие основные характеристики, как обратные потери, входной импеданс, усиление, направленность и различные поляризационные параметры. Некоторые особенности постобработки, такие как возможность наложения 3D­поля в дальней зоне на геометрию антенны, могут оказать разработчику неоценимую помощь. Посредством ANSYS HFSS также можно получать электрические и магнитные поля в ближней и дальней зоне, что не так просто сделать прямым измерением. HFSS, в сочетании с опционной программой Optimetrics, позволяет инженерам проводить парамет­рические вычисления, анализ чувствительности, статистический анализ, а также оптимизацию антенны, используя такие методы, как квази­Ньютон (Quasi Newton), шаблонный поиск (Pattern Search), метод последовательного нелинейного программирования (SNLP), генетические алгоритмы и т.д.

Автоматический адаптивный сеточный генератор

Ключевой особенностью ANSYS HFSS является автоматическое адаптивное генерирование сетки. В системе HFSS физика исследуемой модели определяет будущую сетку, а не наоборот, — тем самым обес­печивается гарантированная точность вычислений. Такая автоматизация процесса моделирования с гарантированной точностью выделяет HFSS из всех других программ электромагнитного моделирования СВЧ­устройств.

Алгоритм адаптивного генерирования сетки уточняет сетку по всей геометрии модели. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнут критерий сходимости или указанное количество проходов. Причем сетка будет сгущаться гораздо быстрее там, где наблюдается наибольшая скорость изменения поля. Рис. 2 иллюстрирует адаптивный процесс генерирования сетки на примере одного Patch­элемента решетки, работающей на частоте 11,5 ГГц, с использованием метода конечных элементов (МКЭ) в HFSS.

Рис. 2. Адаптивное генерирование сетки на примере Patch-антенны

Доступные технологии для моделирования антенн в ANSYS HFSS

HFSS предлагает следующие методы моделирования и инструменты в зависимости от типа задачи, которую необходимо решить:

• метод конечных элементов (включено в HFSS);
• метод интегральных уравнений (включено в HFSS­IE);
• физическая оптика (включено в HFSS­IE);
• метод Галёркина (временная область) (включено в HFSS­TR);
• инструментарий для разработки антенн (Antenna Design Kit), содержащий более 50 стандартных конструкций антенн (включено в HFSS).

Метод конечных элементов

Метод конечных элементов (МКЭ) хорошо подходит для 3D­геометрии произвольной формы. Этот метод подразумевает, что геометрическая модель автоматически разбивается на некоторое количество тетра­эдрических элементов, конформных соответствующим поверхностям геометрии. Тетраэдрические элементы хорошо подходят для этого типа неструктурированной и неравномерной сетки, так как они могут растягиваться, чтобы в итоге максимально точно соответствовать заданной геометрии.

Рис. 3. Пример решения задачи методом конечных элементов

Под формулировкой «метод конечных элементов» подразумевается использование передовых математических методов, удовлетворяющих уравнениям Максвелла для всей модели. Этот метод наиболее эффективен для моделей, содержащих много различных материалов. Как показано на рис. 3, поля вычисляются во всем объеме — то есть не только в области антенны и объекта, с которым она связана (в данном случае голова человека); областью расчета является также и их окружение. Пример, показанный на рис. 3, иллюстрирует смартфон рядом с фантомной моделью головы человека, которая имитирует реальный удельный коэффициент поглощения (SAR). В данной задаче используются решатель HFSS (МКЭ) и HFSS Optimetrics — для рассмотрения различных вариантов расположения смартфона относительно головы человека. Проведение такого анализа помогает корректировать характеристики устройства так, чтобы они соответствовали нормативным.

Метод интегральных уравнений (HFSS­IE)

Решатель HFSS­IE расширяет возможности классического HFSS (МКЭ). Аналогичность интерфейса и установок на решение HFSS­IE c HFSS (МКЭ) позволяет пользователям быстро его освоить. В основе решателя IE лежит 3D­метод интегральных уравнений или, как его еще называют, метод моментов (MOM), позволяющий эффективно решать открытые задачи излучения и рассеяния. При таком методе решения токи вычисляются только на поверхности модели, как показано на рис. 4. В первую очередь метод IE наиболее эффективен для конструкций из металла, но это не значит, что конструкция не может также включать диэлектрики.

Рис. 4. Изменение диаграммы направленности антенны

Рис. 5. Метод интегральных уравнений: а — геометрия ракеты;
б — сетка по поверхности; в — распределение токов по поверхности

Типичные области применения метода IE: моделирование антенн, определение эффективной площади рассеяния (RCS), моделирование антенны, размещенной, например, на каком­нибудь транспортном средстве или платформе, решение задач электромагнитной совместимости и т.д. Моделирование антенн методом интегральных уравнений исключает необходимость использования воздушного объема с граничными условиями на излучение (открытыми), что необходимо было бы в случае применения метода конечных элементов (рис. 5). Таким образом, разработчик может использовать решатель IE для эффективного анализа любых электрически больших металлических конструкций, что было бы затруднительным при применении классического HFSS (МКЭ).

Гибридный метод: метод конечных элементов и интегральных уравнений

HFSS предлагает возможность использовать преимущества метода конечных элементов и метода моментов для решения одной задачи, воспользовавшись гибридным методом. Такое гибридное решение в ряде задач очень выгодно, поскольку решатель HFSS (МКЭ) можно применять для разрешения задачи внутри объема(ов) со сложной геометрией (в том числе диэлектрические элементы антенны), а решатель HFSS­IE позволит решить задачу распространения поля через свободное пространство вне объема МКЭ. Это устраняет необходимость заключать всю геометрию в объем и решать всю задачу с помощью только МКЭ, тем самым значительно экономя ресурсы (память и время анализа). Кроме того, область решения IE может быть смежной с областью МКЭ, при этом токи будут непрерывно перетекать из области решения, например, IE в область решения МКЭ (в случае, когда модели, анализируемые разными методами, соединены физически). Рис. 6 иллюстрирует применение гибридного метода (метод конечных элементов плюс IE­метод) на двух антенных структурах. Первый (рис. 6а) демонстрирует решение системы, состоящей из двух отражателей антенны (главный рефлектор диаметром 60 длин волн) и облучателя в виде рупора. Облучатель моделируется с помощью МКЭ, а главный рефлектор и субрефлектор решаются с помощью метода IE. Для решения задачи потребовалось 37 Гбайт оперативной памяти и 3,2 ч.

Второй пример (рис. 6б) — спутник с массивом спиральных антенн, установленный на его верхней поверхности. В этом случае метод IE используется для усечения области МКЭ посредством конформных граничных условий (ГУ типа FE­BI). В случае применения такого подхода требуется в 10 раз меньше памяти, чем при использовании только МКЭ.

Рис. 6. Использование гибридного метода: а — рефлекторная антенна; б — антенна на спутнике с конформными граничными условиями

Физическая оптика

HFSS­IE также предлагает опционный решатель — решатель «Физическая оптика» (ФO). ФО эффективен для решения электрически больших задач. Но необходимо понимать, что при применении этого метода токи вычисляются только в области подсветки. В теневой области токи равны нулю. Немаловажно, что в качестве источника возбуждения можно использовать результаты, полученные в классическом HFSS (МКЭ).

Типичные области применения включают моделирование больших рефлекторных антенн, антенн, размещенных на платформах или на любых крупных объектах, ЭПР крупных объектов, таких как самолеты, корабли или спутники. На рис. 7 представлено моделирование системы «рупор — рефлектор». Рупор моделируется с помощью HFSS (МКЭ) и является источником первичного электромагнитного излучения. Далее посредством этих вычисленных полей вычисляются токи на поверхности рефлектора. Далее вычисляется вторичное излучение, которое необходимо для определения полей в дальней зоне. ФО позволяет получать результаты очень быстро, а следовательно, идеально подходит для электрически больших структур и быстрой оценки исследуемой структуры.

На рис. 8 представлен еще один пример с использованием ФО. В данном случае анализируется антенная система, установленная на международной космической станции (МКС). В этом примере метод ФO эффективен, поскольку позволяет быстро вычислить затенение электромагнитных полей, вызванных большими размерами солнечных батарей.

Рис. 7. Моделирование рефлекторной антенны посредством физической оптики: а — геометрия рефлектора и облучателя (рупор); б — электрическое поле, окружающее рупор; в — распределение тока по поверхности рефлектора; г — поле в дальней зоне наложено на рефлектор с распределением тока

Рис. 8. Показана диаграмма направленности антенны, установленной на международной космической станции. Используется метод ФО

Решатель во временной области методом Галёркина (HFSS­Transient)

HFSS­Transient — это полноволновый 3D­решатель во временной области методом Галёркина (DGTD). Конечно­элементный решатель во временной области создает неструктурированную сетку, которая также является адаптивной. Некоторые типичные применения метода HFSS­Transient: разработка импульсных георадаров (GPR), моделирование электростатического разряда, применение метода TDR (Time­Domain Reflectometry — измерение коэффициента отражения путем совмещения прямого и отраженного сигнала), визуализация полей и определение центров рассеяния в задачах ЭПР. На рис. 9 иллюстрируется задача определения ЭПР на примере самолета типа F35. Плоская электромагнитная волна падает на самолет под косым углом. На рис. 9а показана временная подпись ЭПР, а рис. 9б иллюстрирует прохождение/отражение электромагнитной волны через самолет F35.

Рис. 9. Решатель HFSS-Transient: а — временная подпись ЭПР;
б — снимок электромагнитных полей в определенный момент времени

Рис. 10. Метод DDM — разложение на подобласти: а — концепция;
б — примеры

Технология HPC. Технология разложения на подобласти (DDM)

Высокопроизводительные вычисления (HPC) предлагают целый ряд различных технологий в HFSS, которые позволяют эффективно моделировать чрезвычайно большие и сложные задачи. Одной из таких технологий является технология DDM (Domain Decomposition Method), которая наиболее интересна с точки зрения моделирования больших антенн и антенных решеток. В основу технологии DDM заложена философия «разделяй и властвуй». Принцип работы DDM следующий: большая задача разделяется на небольшие подзадачи. Как показано на рис. 10а, большая область (домен) с сеткой разбивается на небольшие подобласти с сеткой, после чего каждая подобласть решается на отдельном ядре или наборе из нескольких ядер. Отдельные ядра могут размещаться на одном компьютере или быть распределены по нескольким компьютерам, связанным высокопроизводительной сетью.

DDM — чрезвычайно масштабируемый метод. В некоторых случаях можно получить практически линейное ускорение по отношению к моделированию на одном ядре. Для конечных периодических структур, таких как антенные решетки или частотно­селективные поверхности, техника декомпозиции усиливается за счет использования повторяющейся гео­метрии, а следовательно, и сеток в поддоменах и матрицах.

Инструментарий для разработки антенн (Antenna Design Kit, ADK)

Инструмент ADK представляет собой автономную утилиту (на данный момент утилита встроена в HFSS (рис. 11). — Прим. пер.), которая позволяет автоматизировать процесс создания геометрии антенн. Доступно более 50 популярных типов антенн.

Рис. 11. Меню выбора типа антенны

Рис. 12. Некоторые доступные типы антенн в инструментарии ADK

Разработчику требуется выбрать нужный тип антенны из дерева и указать необходимые параметры, такие как физические размеры, частота решения, граничные условия, которые будут использоваться для назначения на внешние границы модели в HFSS. На рис. 12 показаны некоторые из имеющихся типов антенн.

Заключение

Государственные и частные компании, а также университеты, участвующие в разработке беспроводных устройств, включая конструкции антенн, все чаще используют программы электромагнитного моделирования для получения конкурентного преимущества. При выборе программы крайне важно, что результаты моделирования антенны будут совпадать с измерениями. ANSYS HFSS обеспечивает высокую точность вычислений при моделировании антенн, а также любых пассивных СВЧ­устройств. Высокая точность достигается автоматическим адаптивным перестроением сетки в ходе решения, которое работает для всех внедренных в HFSS методов, применяемых для широкого спектра конструкций антенн. Использование гибридного решателя в сочетании с технологиями высокопроизводительных вычислений, таких как DDM, позволяет решить электрически большие задачи эффективно и в довольно короткие сроки. Кроме того, HFSS прост в применении и обладает интуитивно понятным интерфейсом. Используя HFSS, компании смогут разрабатывать антенны и другие устройства СВЧ гораздо быстрее, качественнее и надежнее. 

Список используемых источников:

1. Hirth N. Antenna Design and Platform Integration Analyses using HFSS. — Webinar.
2. Commens M., Silvestro J. HPC Options for HFSS. — White paper.
3. Leo Diaz, Thomas Milligan. Antenna Engineering Using Physics Optics. — Textbook.
4. Williams L., Rousselle S., Commens M. http://www.microwavejournal.com/articles/457­advances­in­radar­simulation­design?v=preview
5. Rousselle S., Miller M., Sligar A. http://defenseelectronicsmag.com/site­files/defenseelectronicsmag.com/files/archive/rfdesign.com/mag/712DEF1.pdf
6. http://www.synapse.com/newsroom/recent­news/synapse­rf­managermike­schaff­ansys­webinar?destination=node/1099
7. http://www.ansys.com/Products/Simulation+Technology/ElectronicsRF+&+Microwave
8. http://ansys.mobi/staticassets/ANSYS/staticassets/resourcelibrary/article/AA­V4­I2­HPC­Options­for­HFSS.pdf

САПР и графика 8`2015