Порівняльний аналіз систем тривимірного комп’ютерного проектування мікрохвильових пристроїв

 

Міністерство  освіти і науки, молоді та спорту України

Дніпропетровський національний університет ім. О. Гончара

Факультет фізики, електроніки та комп’ютерних систем

Кафедра прикладної і комп’ютерної радіофізики

 

 

 

ДИПЛОМНА  РОБОТА

з освітньо-кваліфікаційного рівня  бакалавр

порівняльний аналіз систем тривимірного комп’ютерного проектування мікрохвильових пристроїв

 

 

Виконавець студент гр. КП-08-2	Гусак С.Ю.
Керівник доцент каф. ПКР, к. фіз.-мат. н.	Андрєєв М.В.
Рецензент доцент каф. РЕ,  к. фіз.-мат. н.   Допускається до захисту:	Гомілко І.В.
Зав. кафедри проф., д. фіз.-мат. н.	Дробахін О.О.

 

 

Дніпропетровськ – 2012

 

РЕФЕРАТ

 

Дипломна робота: ___ с., __ рисунків, ___ джерел.

Об'єктом дослідження даної курсової роботи було засоби чисельного тривимірного електродинамічного моделювання FEKO, HFSS.

Метою роботи був порівняльний аналіз існуючого прикладного програмного забезпечення за точністю розрахунків та ресурсними вимогами. Для цього потрібно було порівняти електродинамічні характеристики, одержувані в кожній із програм, і проаналізувати переваги і недоліки кожної з них.

В ході роботи було змодельовані типові структури для електродинамічного аналізу, були отримані електродинамічні характеристики в кожній з програм тривимірного моделювання і був проведений аналіз результатів.

Ключові слова: МЕТОД КІНЦЕВИХ ЕЛЕМЕНТІВ, МЕТОД КІНЦЕВИХ РІЗНИЦЬ, ВНУТРІШНЯ ХВИЛЕВОДНА ЗАДАЧА, ЗАВДАННЯ НА ВИПРОМІНЮВАННЯ, ЧАСТОТНА ЗАЛЕЖНІСТЬ.

 

RESUME

The presented diploma work contains __ pages of printing text, __ figures, __ references.

Research object of this work was software for 3-D modeling, FEKO and HFSS.

Work object was to comparative analysis of existing application software for precision calculations and resource demands. This was necessary to compare the electrodynamic properties received in each of the programs and analyze the advantages and disadvantages of each.

During the operation was simulated typical structure for electrodynamic analysis were obtained electrodynamic properties in each of the 3-D modeling programs and the analysis results.

There were created various electromagnetic structures, obtained corresponding results that afterward were analyzed and compared.

Keywords: FINITE ELEMENT METHOD, FINITE DIFFERENCES METHOD, INTERNAL WAIVEGUIDE PROBLEM, RADIATION PROBLEM, FREQUENCY DEPENDENCE. 
ЗМІСТ

ЗАВДАННЯ ДО КУРСОВОЇ РАБОТИ 2

РЕФЕРАТ 3

ЗМІСТ 4

ВСТУП 6

РОЗДІЛ 1 7

1 ОГЛЯД ЗАСОБІВ РОЗРАХУНКУ ХАРАКТЕРИСТИК ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНИХ ОБ'ЄКТІВ 7

1.1 Система HFSS 7

1.1.1 Основні відомості про програмне  середовище HFSS 7

1.1.2 ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ РОБОТИ HFSS 12

1.2 CST MICROWAVE STUDIO 21

1.2.1 Система моделювання НВЧ  тривимірних структур  CST MICROWAVE STUDIO 21

1.2.2 Особливості обчислювального  ядра CST MICROWAVE STUDIO 24

1.2.3 Принципи роботи В CST MICROWAVE STUDIO і обробка результатів розрахунку 26

РОЗДІЛ 2 28

2 МЕТОДИ, ЩО ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ ДЛЯ РОЗРАХУНКУ ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК 28

2.1 Метод кінцевих елементів  і його використання у HFSS 28

2.2 Метод кінцевих різниць у  тимчасовій області 34

2.2.1 Принцип роботи методу FDTD 35

2.2.2 Використання методу FDTD 36

2.2.3 Переваги алгоритму 37

РОЗДІЛ 3 39

3 РЕЗУЛЬТАТИ РОЗРАХУНКУ І ПОРІВНЯННЯ ОТРИМАНИХ ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК 39

3.1 Порівняння електродинамічних  характеристик на прикладі внутрішнього  волноводного завдання 39

ВИСНОВКИ 47

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 48

 

ВСТУП

В даний час проблема обчислення електромагнітних полів, що формується об’єктами довільної конфігурації, має величезне значення. Існує величезна кількість джерел електромагнітних полів, які нас оточують в повсякденному житті. Саме тому так необхідно мати в арсеналі програми тривимірного електромагнітного моделювання, які дають можливість обчислення різних електромагнітних характеристик, таких як, діаграми спрямованості, коефіцієнт відбиття і т. п., для бездротових систем зв’язку, антенно-фідерних пристроїв.

Також величезне значення має вплив  електромагнітних полів на організм людини, і тому треба вміти обчислювати  величину поглиненої електромагнітної енергії тканинами людини. Всі  ці завдання можна вирішити за допомогою  програм електромагнітного моделювання, таких як FEKO і HFSS.

Оскільки на ринку існує велика кількість програм тривимірного електромагнітного моделювання, актуальною є задача зробити адекватний вибір  програми під відповідну задачу. На жаль, існує дуже мало відомостей порівняльного  характеру про можливості таких  програм. З точки зору вирішення  прикладних завдань якість таких  програм визначається забезпечуваною точністю, достовірністю отриманих  результатів і часом рахунку  на комп’ютері стандартної конфігурації. Тому метою даної роботи було проведення порівняльних досліджень основних програм тривимірного електромагнітного моделювання.

 

РОЗДІЛ 1

1 ОГЛЯД ЗАСОБІВ РОЗРАХУНКУ ХАРАКТЕРИСТИК  ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНИХ ОБ'ЄКТІВ

1.1 Система HFSS

1.1.1 Основні відомості про програмне середовище HFSS

 

Програмне середовище HFSS (High Frequency Structure Simulator) – це потужний пакет програм, який обчислює багатомодові S-параметри і електромагнітні поля в тривимірних пасивних структурах довільної форми.

В останні  кілька років саме програма HFSS, в  розробці якої взяли участь фірми Hewlett-Packard, Agilent і Ansoft, зайняла лідируюче положення в світі проектування НВЧ пристроїв. Інші численні програми, які використовують електродинамічні методи розрахунку, - IE3D, Microwave Office, Microwave Studio – призначені для своїх класів завдань. HFSS першою з комерційних програм показала всю міць електродинамічних методів розрахунку. Вона поставила на нову основу і принципи навчання такого складного предмета, як електродинаміка. 
Перехід від програм, які розраховують СВЧ структури методами теорії кіл (до яких належить метод Олінера, який має в ряді випадків досить високу для практичних завдань точність розрахунку), до програм, які виконують повноцінний розрахунок тривимірного електромагнітного поля, пояснюється в першу чергу тим, що багато частин реального пристрою не піддаються декомпозиції на елементи, які є в бібліотеці моделей. Це виявляється навіть у найпростішому випадку аналізу плавного повороту багатошарової мікрополоскової лінії, коли не можна розділити, де мікрополоскова лінія, а де лінія з підвішеною підкладкою.

HFSS надає можливості  моделювання антен, дільників  потужності, схем комутації, хвилевідних елементів, фільтрів НВЧ і тривимірної неоднорідності, опис якої зводиться до створення креслення структури, точному заданню матеріалу, ідентифікації портів і необхідних характеристик. В результаті розрахунку знаходяться поля всередині і поза структурами, а також багатомодові S-параметри. Програмне середовище HFSS забезпечує весь цикл моделювання високочастотних і надвисокочастотних радіотехнічних пристроїв, починаючи від креслення пасивних, тривимірних структур, і до відображення результатів моделювання. До числа основних етапів роботи в даному середовищі відносяться:

1. Опис  аналізованої структури, в тому  числі:

1.1) створення тривимірної графічної  моделі структури (креслення); 
1.2) завдання параметрів матеріалів.

2. Рішення  електродинамічного завдання, яке  включає:

2.1) завдання граничних умов у  структурі;

2.2) визначення і калібрування  портів;

2.3) завдання параметрів рішення. 
3. Візуалізація результатів рішення, яка включає:

3.1) завдання формату вихідних  даних;

3.2) анімація розподілу поля і  так далі

Розраховані S-параметри можуть використовуватися  далі в програмах аналізу лінійних і нелінійних схем, зокрема, в програмі Microwave Office, Serenade Ansoft або ADS.

HFSS використовує  для розв’язання рівнянь електродинаміки метод кінцевих елементів (Finite Element Method, FEM), який включає адаптивне генерування та розподіл осередків. Рішення для електромагнітного поля, знайдені з рівнянь Максвелла, дозволяють точно визначити всі характеристики НВЧ приладів з урахуванням виникнення і перетворення одних типів хвиль в інші, втрат в матеріалах і на випромінювання і так далі.

HFSS містить  обчислювальний пристрій, що з доведеною надійністю забезпечує отримання точних результатів. Проектування з використанням HFSS дає високу гарантію того, що вимірювальні характеристики будуть такими ж, як при моделюванні. Однак, для отримання цих достовірних результатів потрібно вибрати правильні параметри розрахунку. Це відноситься не тільки до вірного кресленням всіх форм, і точному заданню матеріалів аналізованої структури, а й до того, якими машинними ресурсами розпоряджаються проектувальник, і як детально він може розбити простір на елементи декомпозиції, а також те, як швидко машина може вирішити завдання, використовуючи метод ущільнення сітки. Важливе значення має те, наскільки обґрунтовано та правильно вибрана кількість аналізованих мод в складних елементах пристрою. 
Програмне середовище HFSS здійснює аналіз виключно лінійних структур. Тому для моделювання нелінійних вузлів (підсилювачі, генератори, детектори) доведеться їх розділяти на лінійну частину, аналізовану в рамках HFSS, і нелінійну, яка моделюється іншими програмами за допомогою апарату еквівалентних схем. Зазначимо, що подібний поділ завдань в цілому знижує точність опису всього пристрою.

У кожному  з цих складних випадків потрібно мати на увазі, що можливо тільки послідовне наближення до вірного рішення, яке  вимагає багаторазових ітерацій і руху від простого до складного.

Потужним  засобом підвищення ефективності рішення  є адаптивний метод ущільнення сітки, яка полягає в наступному: початкові  тетраедральні осередки створюються  на підставі структури, створеної з  базових елементів, наявних в  бібліотеці HFSS (примітивів). Це початкова  розбивка на клітинки надає грубу  інформацію про поле, виділяючи області  з високою його напруженістю або  з великими градієнтами. Розбивка на клітинки потім ущільнюється тільки там, де поле зазнає різких змін, зменшуючи обчислювальні витрати при поліпшенні точності. Якщо необхідно, користувачі можуть вести адаптацію вручну, інтерактивно використовуючи інтерфейс програми.

Вбудований  блок креслення просторових моделей, на 100% сумісний з AUTOCAD, використовує операції:

• багаторазове об’єднання 3D об’єктів, вирахування і перетину їх; 
• динамічне обертання об’єктів; 
• виділення / приховування об’єктів; 
• зсуву 2D і 3D об’єктів в просторі; 
• параметризація об’єктів для оптимізації форми по заданому критерію; 
• необмежені undo / redo та інші операції.

База даних включає  матеріали із заданою діелектричною  проникністю, магнітною проникністю, з електричними і магнітними тангенса кута втрат для всіх матеріалів. Користувачі можуть включати однорідні, неоднорідні, анізотропні, ведучі, резистивні та напівпровідникові матеріали  при моделюванні. Програма включає  в себе можливість моделювання феритів. Ферит може мати однорідне статичне підмагнічування.

HFSS також включає  в себе велику бібліотеку стандартних  структур, яка прискорює процес  малювання складних об’єктів. До їх числа відносяться: мікрополоскове T-розгалуження, мікрополоскова і полоскова лінії, пов’язані з широкою і вузькою стінками, зрізані та незрізані повороти мікрополоскових ліній, радіальні та несиметричні вигини ліній, коаксіальні лінії з заданим Z₀, кругла і квадратна 3D спіраль, плоскі антени, спіральні конфігурації та ін. 
HFSS обчислює основні характеристики антен, в тому числі коефіцієнт посилення, перетину діаграми спрямованості (ДС), в далекій зоні, тривимірні ДС в далекій зоні, ширину променя на рівні 3d і так далі. Розраховуються поляризаційні характеристики, включаючи компоненти поля в сферичних координатах і вектори поляризації поля.

Новий метод  швидкої частотної розгортки Adaptive Lanczos Pade Sweep (ALPS) використовується в HFSS для  ефективного широкосмугового моделювання. ALPS може зменшити час моделювання  на порядок, обчислюючи полюса і нулі передавальної функції. ALPS враховує дисперсію портів, для визначення частотної залежності в смузі  пропускання і на схилі частотної  характеристики поза робочого діапазону. Постпроцесор HFSS – це спеціальна програма, яка: забезпечує анімацію для кожного поля і його візуалізацію у вигляді векторів, контурів або заштрихованих контурів; обробляє статичні та анімаційні креслення на будь-якій поверхні, включаючи поверхні перетину об’єктів, тривимірних поверхонь об’єктів, і на тривимірних просторових поверхнях; виконує анімацію векторів поля, скалярного поля або будь-якої заданої величини, використовуючи постпроцесорну обробку даних розрахунку. Анімація динамічної поверхні дозволяє бачити конструкцію покроково через цикли зсуву одного кадру за іншим. Візуалізація тривимірної діаграми спрямованості з використанням м’яких переходів кольору дозволяє переглянути обертання поля з високою точністю. Користувачі можуть обертати структуру в реальному часі з миттєвими модифікаціями графіків.

Постпроцесор  також виконує обробку даних, після розрахунку поля. З його допомогою  можна обчислити такі характеристики як потужність розсіювання, запасена енергія, добротність, S-параметри та пов’язані з ними характеристики. Абсолютні значення полів також можуть бути розраховані. У кожній точці простору можна вивести модуль і фазу векторів Е і Н електромагнітного поля. Унікальні можливості полягають в тому, що поле можна аналізувати у всіляких перетинах, а також анімувати розподіл полів, змінюючи фазу збудливого генератора.

HFSS має володіє багатофункціональною макрокомандою з можливістю автоматичного запису і модифікації. Ці можливості реалізовані в програмі Empipe_3D, яка виконує параметричний аналіз і оптимізацію структури, змінюючи форму і розміри вхідних у неї елементів.