Порівняльний аналіз систем тривимірного комп’ютерного проектування мікрохвильових пристроїв

Залишається важливим питання, наскільки точні  результати розрахунків на електродинамічному рівні. Є ряд шляхів перевірки  точності розрахунку:

• порівняння з точними результатами, якщо вони доступні;
• порівняння з іншою програмою, яка заснована на іншому методі

обчислення;

• порівняння з виміряними результатами;
• правдоподібність, наприклад негативні реальні вхідні повні

опору не існують;

• виконання базових фізичних законів, таких, як закон збереження енергії, теорема взаємності і т.д.

Програмний  пакет FEKO представляє собою порівняно швидку і точну програму моделювання складних об'ємних мікрохвильових пристроїв (наприклад, таких як антени і хвилеводи), засновану на декількох методах розрахунків. Пакет FEKO має в своєму складі всі необхідні для роботи модулі, починаючи c графічного редактора для промальовування тривимірної структури моделі і закінчуючи модулем построцесорної обробки виведення розрахованих даних. Програмне середовище FEKO об’єднує у собі декілька підпрограм: CADFEKO, EDITFEKO, POSTFEKO, PREFEKO, TIMEFEKO та OPTFEKO. Система промальовування досліджуваних структур базується на ядрі ACIS, яке використовує більшість відомих CAD-систем, наприклад, AutoCAD або ProEngineer. C допомогою цієї технології промальовування об'ємних НВЧ-пристроїв навіть найскладніших конфігурацій виробляється достатньо швидко. Пакет повного 3D-моделювання FEKO включає в себе такі основні модулі:

• CADFEKO - графічний редактор тривимірних структур: створення та редагування моделей, автоматична генерація осередків аналізу на базі експертної системи, адаптивний метод подрібнення осередків;
• імпорт / експорт даних: обмін файлами форматів SAT, імпорт планарних структур у форматі DXF, експорт даних в MathLab;
• постпроцесор обробки вихідних даних.

Додатковими програмними модулями пакета є: імпорт / експорт даних у форматах PRT, STP; імпорт планарних структур (Gerber, GDSII, Extended DXF); підтримка мультипроцесорних платформ; інтерфейс з анатомічним набором даних "HUGO".

1.2.2 Особливості обчислювального  ядра FEKO

Базовим методом  FЕКО є метод моментів (МОМ). Метод моментів - це спосіб вирішення інтегральних рівнянь (іноді його називають методом Гальоркіна або Бубнова-Гальоркіна). На відміну від методу кінцевих елементів [3], де простір розрахунку замкнутий і обмежений, метод, в основі якого лежить рішення інтегральних рівнянь, не обмежує величину завдання. Метод МОМ - базовий, але не єдиний метод, реалізований в FEKO (рис. 1.2.1).

Рис. 1.2.1 Застосування різних методів, реалізованих в FЕКО для

вирішення різних задач

Особливе  місце серед завдань, що вирішуються  СЛАР займають завдання випромінювання і розсіювання електромагнітних хвиль. Їх відмінність від завдань аналізу друкованих чи хвилеводних схем полягає в необхідності визначення поля в області великих електричних розмірів (під електричною розміром розуміється відношення геометричного розміру до довжини хвилі у вільному просторі). Дискретизація великих областей породжує завдання величезної розмірності. Тому використання таких методів, як метод кінцевих елементів та метод кінцевих різниць в часовій області (FDTD) тут свідомо неефективно. Більш того, часто виявляється неефективним істотно більш економічний МОМ. В цьому випадку суворі методи електродинаміки необхідно доповнити, так званими, асимптотичними методами: фізичної оптики (ФО), геометричної теорії дифракції (ГТД) і т.д. Гібридні підходи, які використовують ФО і ГТД, реалізовані в системі FЕКО.

Відмінність методу моментів від згаданих вище підходів полягає в тому, що чисельне визначення поля ґрунтується на аналітичному рішенні деякого ключового завдання, а саме завдання про збудження структури елементарним джерелом струму. Таке рішення в математиці отримало назву функції Гріна. МОМ виявляється ефективною, якщо функція Гріна може бути записана аналітично в простій формі. В цьому випадку дискретизації піддається вже не простір, а лише поверхня, що сильно знижує розмірність задачі. На жаль, функція Гріна може бути досить просто знайдена лише для обмеженого числа структур. До них можна віднести плоскошарі структури та вільний простір.

1.2.3 Принципи роботи в FEKO і обробка результатів розрахунку

Програма  має простий і зручний інтуїтивний  призначений для користувача  інтерфейс, плідно працювати з яким навіть новачок зможе вже через  декілька годин після першого знайомства з програмою.

Введена можливість логічного складання компонентів структури, причому окремі частини таких компонентів можуть бути побудовані з різних матеріалів. Зміна параметрів матеріалів може виконуватися як вручну окремо, так і глобальною заміною бази даних матеріалів. Реалізовано виділення декількох об'єктів безпосередньо в полі малювання тривимірної структури, а також на дереві проекту на панелі навігації, після чого можлива одночасна зміна їх параметрів або геометричних розмірів.

Робота в  FEKO проходить в такій послідовності. Спочатку створюється модель аналізованого пристрої з деякими характеристиками, а потім виконується її оптимізація з метою досягнення значень параметрів, заданих технічними умовами. C цією метою спочатку потрібно визначити змінні для оптимізації. Також можна в якості початкових даних розмірів використовувати зумовлені змінні, отримуючи, таким чином, параметрично залежну геометричну модель. Пакет FEKO ітеративно змінює змінні в заданих межах, автоматично оновлює топологічну модель, структурує її і виробляє обчислення, визначаючи при цьому функцію помилки.

У FEKO поліпшені можливості розрахунку характеристик антен в дальній зоні. Також можливий ручний поворот системи координат. Реалізовано перетворення Людвіга (кут місця з азимута, азимут через кут місця, горизонтальний і вертикальний перетин), фазові діаграми та обчислення фазового центру структури.

Введена можливість створювати власні шаблони пост-обробки  результатів розрахунку. Наприклад, тепер можна виконати кілька послідовних  запусків моделювання на різних частотах і отримати частотну залежність посилення  антени. Далі можна знайти максимум цієї частотної характеристики і  використовувати отриманий результат  для автоматичної оптимізації характеристик  антени на заданій частоті.

FЕКО передбачає  різні способи збудження антен:

• джерело напруги, включений в дротяний елемент або між елементами сітки;
• коаксіальний збудник;
• джерело струму;
• плоска хвиля.

Візуалізація  результатів виконується в FЕКО на етапі постпроцесорної обробки даних. Це може бути:

• розподіл електричних струмів на металевих поверхнях;
• розподіл поля в об'ємі;
• параметри багатополюсників (матриці S, Y, Z, і т.д.);
• діаграми Сміта;
• параметри антен (діаграма спрямованості, коефіцієнт направленої дії, поляризаційні діаграми);
• відносна поглинена потужність (для випадку біологічних об'єктів);
• візуалізація променів (при вирішенні методом ОТД);
• реакція ланцюгів в часовій області (при аналізі перехідних процесів).

1.3 CST MICROWAVE STUDIO

1.3.1 Система моделювання НВЧ тривимірних структур CST MICROWAVE STUDIO

Пакет CST Microwave Studio представляє собою порівняно  швидку і точну програму моделювання  складних об'ємних мікрохвильових пристроїв (наприклад, таких як антени і хвилеводи) з метою отримання їх S-параметрів. Пакет CST Microwave Studio має в своєму складі всі необхідні для роботи модулі, починаючи c графічного редактора для  промальовування тривимірної структури  моделі і закінчуючи модулем постпроцесорної обробки виведення розрахованих даних. Система промальовування досліджуваних структур базується на ядрі ACIS, яке використовує більшість відомих CAD-систем, наприклад, AutoCAD. C допомогою цієї технології промальовування об'ємних НВЧ-пристроїв навіть найскладніших конфігурацій виробляється достатньо швидко. Пакет повного 3D-моделювання Microwave Studio включає в себе такі основні модулі:

• графічний редактор тривимірних структур: створення та редагування моделей, автоматична генерація осередків аналізу на базі експертної системи, адаптивний метод подрібнення осередків;
• імпорт / експорт даних: обмін файлами формату SAT, імпорт планарних структур у форматі DXF, експортування даних в MAFIA 4 і файли Touchstone;
• рахункове ядро тривимірних структур: містить ядра для аналізу перехідних процесів в часовій і частотній областях (Time and Frequency Domain Solver), модового аналізу (Eigenmode Solver);
• постпроцесор обробки вихідних даних.

Додатковими програмними модулями пакета є: імпорт / експорт даних у форматах STL, IGES з автоматичною опцією усунення дефектів; імпорт планарних структур (Gerber, GDSII, Extended DXF); підтримка мультипроцесорних  платформ; інтерфейс з анатомічним  набором даних "HUGO". 
B основі програми лежить розроблений компанією CST (Computer Simulation Technology) метод апроксимації для ідеальних граничних умов PBA (Perfect Boundary Approximation), що доповнює добре зарекомендувавший себе метод повних інтегралів FI (Finite Integration), що працює в часовій області. У будь-якому методі, пов'язаному з моделюванням кінцевих елементів, всі поверхні розбиваються на невеликі осередки. Якщо модель мікрохвильового пристрою задана тільки прямими площинами, то кількість аналізованих елементів розбиття невелике і розрахунок проводиться відносно швидко. При використанні в мікрохвильових пристроях криволінійних поверхонь для їх апроксимації потрібно набагато більше елементів розбиття, що призводить до значних часових витрат при аналізі. Комбінація методів PBA і FI, запропонована компанією CST, дозволила швидко вирішувати завдання моделювання складних НВЧ-пристроїв з криволінійними поверхнями на широко поширених комп'ютерах платформи IBM PC.

З появою в 1998 р. програми CST Microwave Studio втілилася головна мета компанії Computer Simulation Technology - забезпечити своїх користувачів надзвичайно швидким і точним, але в той же час відносно простим у використанні обчислювальним інструментом. Вдала комбінація методу кінцевих інтегралів (FI) і методу апроксимації для ідеальних граничних умов (PBA) дозволила зробити прорив в області електромагнітного моделювання і зробила цей пакет одним з кращих на даний час продуктів в даній області. Крім Microwave Studio, компанія CST пропонує програму MAFIA, яка дозволяє точно моделювати практично будь-які системи, де присутні ефекти, пов'язані з випромінюванням, розповсюдженням і поглинанням електромагнітних хвиль. B число завдань, що вирішуються програмою, входять: аналіз планарних і хвилеводних частотно-виборчих структур, моделювання електронних і іонних гармат, НЧ і ВЧ-трансформаторів, різних типів антен і багато іншого. CST Microwave Studio і MAFIA багато в чому подібні. Основна перевага CST Microwave Studio полягає в застосуванні методу апроксимації для ідеальних граничних умов, у використанні мови написання макросів VBA, автоматизації та оптимізації процесів моделювання.

Продовжуючи підходи, реалізовані в Microwave Studio, фірма Computer Simulation Technology випустила цілу лінійку  продуктів. В основі програмних продуктів CST лежить загальний теоретичних  підхід, що дозволяє реалізувати широкий  набір додатків, починаючи з аналізу  статичних і низькочастотних  електромагнітних полів (у програмі CST EM STUDIO) і закінчуючи аналізом надвисокочастотних та оптичних систем.

Типовими  пристроями, модельованими за допомогою  пакета CST Microwave Studio, можуть бути: хвилеводні і мікрополоскові спрямовані відгалужувачі потужності; подільники та суматори потужності; хвилеводні, мікрополоскові та діелектричні фільтри; одно-і багатошарові мікрополоскові структури; різні лінії передачі; коаксіальні з великою кількістю виходів з'єднувачі; коаксіально- хвилеводні і коаксіально-полоскові переходи; оптичні хвилеводи і комутатори; різні типи антен (рупорні, спіральні, планарні).

Основними характеристиками пакета CST Microwave Studio є: розрахунок  
S-параметрів в широкому діапазоні частот, наявність графічного інтерфейсу, побудованого на основі GUI Windows; наявність вбудованої мови написання макросів VBA, підтримка технології зв'язування і вбудовування об'єктів (OLE); розрахунок моделей в часовій області з допомогою методу певних інтегралів; значне збільшення продуктивності завдяки використанню методу апроксимації для ідеальних граничних умов (PBA); побудова аналізованої структури моделі на базі ядра ACIS; імпорт і експорт структур у форматах SAT, IGET і STL; різні режими збудження структури з допомогою зовнішніх та внутрішніх портів; розрахунок власних мод і імпедансів портів; перерахунок отриманих  
S-параметрів для специфічних значень імпедансів портів; анімаційне відображення полів; відображення результатів у міру виконання розрахунку; оптимізація структур; відображення 3D-і контурних 2D-графіків E-і Н-полів, струмів , потоків потужності; розрахунок поля антени в далекій зоні і створення графіків ДН антен для вибраної поляризації; розрахунок питомої потужності поглинання випромінювання; розрахунок ефективної площі відбиття; автоматична генерація осередків аналізу на базі експертної системи і адаптивний метод подрібнення осередків аналізу. Графічний редактор на базі ядра ACIS дозволяє будувати складні об'ємні структури з криволінійними поверхнями з використанням булевих операцій і функцій сполучення об'єктів.

1.3.2 Особливості обчислювального  ядра CST MICROWAVE STUDIO

Рахункове ядро електромагнітних тривимірних структур включає в себе три модулі. Розв’язуючий пристрій Time Domain Solver аналізу перехідних процесів в часовій області призначений для моделювання більшості завдань електромагнітних полів. Ядро модового аналізу Eigenmode Solver використовується в окремих випадках при моделюванні фільтрів, диплексерів і резонаторів. З його допомогою можна зробити розрахунок кінцевого числа мод в будь-якому електромагнітному пристрої без втрат і виконати аналіз високодобротних резонансних структур методом нормальних хвиль. Ядро аналізу в частотній області Frequency Domain Solver використовується для певного кола завдань, у тих випадках, коли потрібно підвищити якість одержуваного рішення.