Пример 1. Коаксиальное Т-образное разветвление

Автоматизированное проектирование микроволновых устройств

В настоящее время практически все радиоэлектронные устройства разрабатываются с использованием систем автоматического проектирования. Не являются в этом смысле исключением и микроволновые устройства.

При этом специфические особенности микроволновых устройств предъявляют к системам автоматического проектирования особые требования. Значительно большее влияние паразитных параметров в ВЧ устройствах требует использовать при моделировании существенно более точные (и, следовательно, сложные) модели и более сложные математические методы, что приводит к существенному увеличению вычислительных затрат на моделирование. Сильное взаимовлияние составляющих элементов проектируемых микроволновых схем не позволяет достичь приемлемой точности расчётов при использовании библиотечного принципа моделирования устройства (т. е. формирования схемы из стандартных фрагментов).

В учебном пособии рассмотрение вопросов моделирования микроволновых устройств выполнено с использованием лишь САПР High Frequency Structure Simulator (HSFF), хотя количество пакетов подобного типа значительно. Пакеты имеют отличающиеся области применения. Пакет HSFF ориентирован на анализ электромагнитных полей в трехмерных пассивных структурах произвольной формы.

HFSS предоставляет возможности моделирования антенн, делителей мощности, схем коммутации, волноводных элементов, фильтров СВЧ и трехмерных неоднородностей, описание которых сводится к созданию чертежа структуры, точному заданию материала, идентификации портов и требуемых характеристик. В результате расчета находятся поля внутри и вне структур, а также многомодовые S-параметры. HFSS осуществляет анализ исключительно линейных структур.

В настоящем учебном пособии на конкретных примерах рассматриваются лишь начальные аспекты использования прикладных компьютерных пакетов для проектирования микроволновых устройств. Оно ориентировано на использовании магистрантами 1-го года обучения при выполнении ими расчётно-графической работы, а также в процессе исполнения выпускной работы.

Введение

HFSS (High Frequency Structure Simulator) – это мощный пакет программ, разработанный фирмами Hewlett Packard, Agilent и Ansoft, предназначенный для вычисления многомодовых S-параметров и электромагнитных полей в трёхмерных пассивных структурах произвольной формы.

HFSS использует для решения уравнений электродинамики метод конечных элементов, включающий адаптивное генерирование и деление ячеек.

HFSS предоставляет возможности моделирования антенн, делителей мощности, схем коммутации, волноводных элементов, фильтров СВЧ и трёхмерных неоднородностей. В результате расчёта находятся поля внутри и вне структур, а также многомодовые S-параметры.

Рассчитанные S-параметры могут использоваться далее в программах анализа линейных и нелинейных схем, например, в программе Microwave Office.

Запуск пакета HFSS выполняется стандартным для Windows-приложений способом. Правильный запуск приводит к появлению рабочей среды, показанной на рис. 1, где “Окно моделирования” содержит чертёж моделируемого объекта, результирующие графики и др.; “Панель ниспадающего меню” содержит полный набор команд, доступный при работе с HFSS. На рис. 2 пояснены функции для ряда пунктов некоторых ниспадающих меню.

Панель ниспадающего меню 3D-конструктор

Окно дерева проекта Панели инструментов Окно конструкции

Окно модели Окно состояния

Окно переменных Окно сообщений менеджера моделирования

Рис. 1. Рабочее окно Ansoft HFSS version 14.0

Процесс моделирования устройства в пакете HFSS состоит из следующих этапов:

· Описание моделируемого устройства:

- создание графической модели (чертежа);

- определение параметров материалов.

· Решение электродинамической задачи:

- задание граничных условий;

- определение и калибровка портов;

- задание параметров решения.

· Визуализация решения:

- вывод S-параметров;

- анимация поля.

Рассмотрим порядок решения задач электродинамического моделирования на конкретных примерах.

Рабочая среда HFSS должна содержать хотя бы один проект. При отсутствие такового, это можно исправить командой File → New. После этого в окне дерева проекта появится запись о проекте (например, Project1), над которой, щёлкнув правой кнопкой мыши (ПКМ) можно выполнить некоторые стандартные для Windows операции.

Пример 1. Коаксиальное Т-образное разветвление

Для того чтобы начать работать с проектом, в него необходимо включить хотя бы одну модель. Чтобы добавить в текущий проект новую модель необходимо, используя меню, дать команду Project→ Insert HFSS Design, либо на панели инструментов нажать кнопку . В результате выполнения этой команды в дерево проекта будет добавлен второй узел, которому по умолчанию присваивается имя HFSSModeln, где n– порядковый номер модели, добавленной в текущий проект. В этом узле содержится вся информация о модели, включая граничные условия, рассчитанную структуру поля и результаты постпроцессорной обработки.

Нижний узел дерева проекта будет содержать перечень материалов, использованных при построении модели.

Включение в проект новой модели приведет к открытию окна 3D-конструктора (3D Modeler), которое появится справа от окна менеджера проекта (Project Manager). При помощи 3D-конструктора создается геометрия модели. Окно 3D-конструктора разбито на две области – окно модели и окно конструкции.

Окно моделисодержит дерево модели, в котором отражаются все действия пользователя в процессе построения модели.

Окно конструкциисодержит графическое изображение модели. Для работы с 3D-конструктором необходимо задать единицу измерения размеров модели. Этой цели служит команда меню Modeler→ Units. В открывшимся диалоговом окне из списка выберем в качестве единицы измерения mm(миллиметр) и нажмем кнопку OK.

Интерфейс стола HFSS содержит еще три дополнительных окна.

Окно переменныхотображает либо параметры выделенного элемента в модели, либо данные выделенного пункта дерева проекта.

В окне сообщенийвыводятся сообщения, связанные с развитием проекта, такие как сообщения об ошибках, возникающих в ходе конструирования модели, или информационные сообщения о ходе выполнения анализа модели.

Окно состоянияотображает процесс решения задачи анализа построенной модели.

Создав новый проект и загрузив в него модель, приступим к черчению конструкции коаксиального Т-разветвителя.

Коаксиальный Т-разветвитель показан на рис. 1.1. Он состоит из отрезков

коаксиальных линий. Отрезки коаксиальных линии представляют из себя области пространства, образованные в результате вычитания внутреннего цилиндра из внешнего. Начнем с черчения внешнего цилиндра вертикального отрезка коаксиальной линии.