HFSS
HFSS – это мощный пакет программ, который вычисляет многомодовые S-пара-метры и электромагнитные поля в трехмерных пассивных структурах произвольной формы. Переход от программ, рассчитывающих СВЧ структуры методами теории цепей (к которым относится метод Олинера, имеющий в ряде случаев достаточно высокую для практических задач точность расчета) к программам, выполняющим полноценный расчет трехмерного электромагнитного поля, объясняется в первую очередь тем, что многие части реального устройства не поддаются декомпозиции на элементы, которые есть в библиотеке моделей. Это можно отнести даже к простейшему случаю анализа плавного поворота многослойной микрополосковой линии, когда нельзя разделить, где микрополосковая линия, а где линия с подвешенной подложкой.
HFSS использует для решения уравнений электродинамики метод конечных элементов (Finite Element Method, FEM), включающий адаптивное генерирование и деление ячеек. Решения для электромагнитного поля, найденные из уравнений Максвелла, позволяют точно определить все характеристики СВЧ устройства 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 созданию чертежа структуры (рис. В-1), точному заданию материала, идентификации портов и требуемых характеристик. В результате расчета находятся поля внутри и вне структур, а также многомодовые S-параметры.
Рассчитанные S-параметры могут использоваться далее в программах анализа линейных и нелинейных схем, в частности, в программе Microwave Office, Ansoft Designer или ADS.
HFSS использует моделер,
который с доказанной надежностью обеспечивает получение верных и точных результатов. Проектирование с использованием HFSS дает высокую гарантию того, что измеренные характеристики будут такими же, как при моделировании.
Однако для получения этих достоверных результатов нужно выбрать правильные параметры расчета. Это относится не только к верному черчению всех форм, и точному заданию материалов анализируемой структуры, но и к тому какими машинными ресурсами располагает проектировщик, и как мелко он может разбить пространство на элементы декомпозиции, а также то, как быстро машина может решить задачу, используя метод уплотнения сетки. Немаловажное значение для успеха имеет то насколько обосновано и верно выбрано количество анализируемых мод в сложных элементах устройства.
HFSS пока осуществляет анализ исключительно линейных структур. Поэтому для моделирования нелинейных узлов (усилители, генераторы, детекторы) приходится их разделять на линейную часть, анализируемую в рамках HFSS и нелинейную, которая моделируется другими программами с помощью аппарата эквивалентных схем. Отметим, что подобное разделение задач в целом снижает точность описания всего устройства.
В любом из этих сложных случаев нужно иметь в виду, что возможно только последовательное приближение к верному решению, требующее много-кратных итераций и движения от простого к сложному. Мощным средством повышения эффективности решения является адаптивный метод уплотнения сетки, который состоит в следующем: начальные тетраэдральные ячейки создаются на основании структуры, созданной из базовых элементов, имеющихся в библиотеке HFSS (примитивов). Это начальное разбиение на ячейки предоставляет грубую информацию о поле, выделяя области с высокой его напряженностью или с большими градиентами. Разбиение на ячейки затем уплотняется только там, где поле претерпевает резкое изменение, уменьшая вычислительные затраты при улучшении точности. Если необходимо, пользователи могут вести адаптацию вручную, интерактивно используя интерфейс программы.
Встроенный блок черчения пространственных моделей, на 100% совместимый с AutoCAD, использует операции:
- многократное объединение 3D объектов, вычитание и пересечение их,
- динамическое вращение объектов,
- выделение/скрытие объектов,
- сдвиг 2D и 3D объектов в пространстве,
- параметризация объектов для оптимизации формы по заданному критерию,
- неограниченные undo/redo и др. операции.
База данных включает материалы с заданной диэлектрической проницаемостью, магнитной проницаемостью, с электрическими и магнитными тангенсами угла потерь для всех материалов. Пользователи могут включать однородные, неоднородные, анизотропные, проводящие, резистивные и полупроводниковые материалы при моделировании. Программа включает возможность моделирования ферритов для невзаимных приборов. Феррит может иметь однородное статическое подмагничивание.
HFSS также включает большую библиотеку стандартных структур, которая ускоряет процесс рисования сложных объектов. К их числу относятся:
- микрополосковое T-разветвление,
- микрополосковые и полосковые линии, связанные по широкой и по узкой стороне,
- срезанные и несрезанные повороты микрополосковых линий,
- радиальные и несимметричные изгибы линий,
- коаксиальные линии с заданным Zo,
- круглая и квадратная 3D спираль,
- магический Т-мост,
- плоские антенны,
- спиральные конфигурации и др.
HFSS вычисляет основные характеристики антенн, в том числе коэффициент усиления, сечения диаграммы направленности (ДН) в дальней зоне, трехмерные ДН в дальней зоне, ширину луча по уровню 3dB и т.д. Рассчитываются поляризационные характеристики, включая компоненты поля в сферических координатах и векторы поляризации поля.
Новый метод быстрой частотной развертки, Adaptive Lanczos Pade Sweep (ALPS) используется в HFSS для эффективного широкополосного моделирования. ALPS может уменьшить время моделирования на порядок, вычисляя полюсы и нули передаточной функции. ALPS учитывает дисперсию портов, для определения частотной зависимости в полосе пропускания и на скате частотной характеристики вне рабочего диапазона.
Постпроцессор HFSS обеспечивает анимацию для любого поля и его визуализацию в виде векторов, контуров или заштрихованных контуров, обрабатывает статические и анимационные чертежи на любой поверхности, включая поверхности сечения объектов, трехмерных поверхностей объектов и на трехмерных пространственных поверхностях. HFSS выполняет анимацию векторов поля, скалярного поля или любой заданной величины, используя постпроцессорную обработку данных расчета.
Визуализация поля и трехмерной диаграммы направленности, использующие мягкие цветовые переходы, позволяют Вам изучить ближние поля и поля излучения с высокой точностью. Пользователи могут вращать структуру в реальном масштабе времени с мгновенными модификациями графиков.
Построцессор также выполняет обработку данных, после расчета поля. С его помощью можно вычислить такие характеристики как мощность рассеяния, поглощенная энергия, добротность, S-параметры и связанные с ними характеристики. Также могут быть рассчитаны абсолютные значения полей. Т.е. 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.
HFSS имеет мощный макрокомандный язык с возможностью автоматической записи и модификации. Эти возможности реализованы в программе Empipe_3D, которая выполняет параметрический анализ и оптимизацию структуры, изменяя форму и размеры входящих в нее элементов. В качестве целевой функции при оптимизации могут использоваться как отдельные S-параметры, так и другие характеристики, включая диаграмму направленности.
Например, диаграмма направленности четырехспиральной антенны, которая широко используется в беспроводной связи, в приемниках GPS. Ее излучение имеет круговую поляризацию и диаграмму направленности с очень малыми задними лепестками. Антенна моделировалась на HFSS для нескольких витков и для всех витков. Используя расширенные макрокоманды, проектировщик способен быстро сделать десятки расчетов, чтобы понять, какие параметры сильнее влияют на ширину луча антенны, коэффициент усиления и уровень боковых лепестков. Используя оптимизацию с помощью утилиты EMPipe_3D, проектировщик способен минимизировать эти изменения и оптимизировать структуру по критерию коэффициента усиления и расширения диапазона точной поляризации.
В последние 5 лет именно программа HFSS, в разработке которой приняли участие фирмы Hewlett Packard, Agilent и Ansoft, заняла лидирующее положение в мире проектирования СВЧ устройств. Другие многочисленные программы, использующие электродинамические методы расчета – Zeland IE3D, AWR Microwave Office, CST Microwave Studio - предназначены для своих классов задач. HFSS первой из коммерческих программ показала всю мощь электродинамических методов расчета. Она поставила на новую основу и принципы обучения такому сложному предмету, как электродинамика.