СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №2/2016

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 54 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2016 Использование гибридных методов расчёта СВЧ-антенн в ANSYS HFSS Иван Кузнецов, Александр Курушин (Москва) ANSYS HFSS [1] – это мощная про- грамма расчёта электромагнитно- го поля для проектирования СВЧ- структур, использующая несколь- ко алгоритмов. ANSYS HFSS входит в комплекс программных средств компании ANSYS, предназначенных для разностороннего анализа радио- структур. Последняя версия програм- мы HFSS 16.0 выполняет расчёты мето- дом конечных элементов в частотной области, расчёт переходных процес- сов методом Галеркина, использует метод интегральных уравнений, метод физической оптики, а также гибрид- ное использование всех реализован- ных методов расчёта. Каждый метод в HFSS реализован в виде программы, в которой нужно создать исследуемую структуру, задать параметры материалов и рассчитывае- мые характеристики. После этого HFSS генерирует сетку, которая адаптивно уплотняется в зависимости от особен- ностей структуры и поля в ней. Широко распространённые в насто- ящее время в спутниковой связи, РЛС и радиоастрономии зеркальные СВЧ- антенны имеют размеры от десятков сантиметров до сотен метров [2]. Это означает, что размеры антенн могут В статье приводятся результаты моделирования зеркальной антенны с помощью программного комплекса ANSYS HFSS. Расчёт антенны диаметром до 2 м выполнен на частоте 10 ГГц с использованием гибридного метода, в котором рупорная антенна-облучатель рассчитывается методом конечных элементов, а зеркало – методом интегральных уравнений или методом физической оптики. Сравниваются результаты расчёта при облучении зеркала с помощью стандартной рупорной антенны и гофрированной рупорной антенны той же апертуры. Показано, что гофрированный рупор увеличивает коэффициент направленного действия однозеркальной антенны на 2 дБ. составлять сотни длин волн и более. Расчёт таких больших структур стро- гими электродинамическими метода- ми требует больших вычислительных затрат. Для анализа и расчёта характе- ристик излучения зеркальных антенн большого электрического размера в ANSYS HFSS реализованы прибли- жённые методы, к которым относит- ся метод физической оптики [2–3]. Метод физической оптики использу- ет в качестве ключевого алгоритма чис- ленного расчёта формулу: , (1) где [А/м] – поверхностный электри- ческий ток на металлическом рефлек- торе, [А/м] – вектор магнитного поля, создаваемого в данной точке первич- ным облучателем, – вектор нормали для каждой точки поверхности реф- лектора. Рассчитанные по формуле (1) элек- трические токи используются для опре- деления поля излучения зеркальной антенны (вторичного поля). Расчёт вторичного поля сводится при этом к вычислению соответствующих дву- мерных интегралов Фурье от поверх- ностного электрического тока. Таким образом, в методе физической оптики нет необходимости решать систему линейных алгебраических уравнений высокого порядка, к чему сводится большинство электродина- мических методов решения системы уравнений Максвелла. Г ИБРИДНЫЕ МЕТОДЫ В ANSYS HFSS Первым методом электродинами- ческого моделирования, реализован- ного в HFSS, был метод конечных эле- ментов (FEM, Finite Element Method). Этот метод доказал свою точность и надёжность при моделировании и оптимизации коаксиально-волно- водных переходов, фильтров, пла- нарных антенн, размеры которых не превосходят пяти длин волн. Одна- ко при анализе объектов с большими размерами требования к компьютеру (объём оперативной памяти и быстро- действие) значительно возрастают. На помощь пришли реализованные в вер- сии HFSS 15 гибридные методы моде- лирования, когда разные части зада- чи можно решать разными методами (см. табл. 1). Решим задачу облучения параболи- ческого зеркала и сравним результаты расчёта двумя методами: методом инте- гральных уравнений и методом физи- ческой оптики. Для антенны одной сложности решение будет выполнять- ся на одной и той же сетке. Расчёты выполняются на частоте 10 ГГц (дли- на волны 30 мм). В качестве облучателя используем круглые рупорные антен- ны двух типов: 1) с гладкими стенками раскрыва; 2) с гофрированными стенками рас- крыва. С ОЗДАНИЕ СТРУКТУРЫ ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЫ Сечение параболического зерка- ла вдоль оси X строится при помощи функциональной зависимости , (2) где F oc – фокусное расстояние пара- болы, связываемое с диаметром пара- болического зеркала D соотноше- Таблица 1. Методы решения в ANSYS HFSS и способы их объединения № метода Название метода Суть метода 1 Метод FEM Метод конечных элементов. Обе антенны (зеркало и облучатель) находятся в одном боксе, описанном как Radiate 2 Метод IE Гибридный метод, когда на большой объект падает волна, эквивалентная дальнему полю облучателя, и расчёт ведётся методом IE 3 Метод FBIE Каждая антенна охватывается отдельными боксами, внутри которых пространство считается методом FEM, а эти боксы покрываются граничными условиями IE 4 Метод IE-PO Метод физической оптики (PO), объединённый с методом интегральных уравнений