СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2012

таблицу 1). Следующим по затратам времени является решение матрицы, которое выполняется на каждой час тоте. Такой алгоритм проектирования можно считать положительной сторо ной HFSS, поскольку количество час тотных точек можно выбрать мини мальным, вплоть до одной. Оценка об щего времени расчёта включает время, затраченное на предпроцессорную, процессорную и постпроцессорную обработку. При использовании современных компьютеров (например, с ОЗУ 4 Гб) максимальное количество тетраэдров N не должно достигать 100 000, а реше ние одного варианта структуры долж но занимать не более 20 мин, иначе те ряется смысл выполнения операции подстройкии оптимизации в процессе инженерного проектирования. Прак тика проектирования показывает, что действенным средством экономии компьютерных ресурсов и уменьшения времени расчёта является выбор более плотного разбиения на ячейки только в техместах структуры, где происходит наибольшее изменение характеристик при изменении геометрии. Рассчитаем АЧХ планарной антенны без потерь (граничные условия уста новим как идеальные стенки, а тангенс угла потерь положим равным 0). Отме тим, что в этом случае следует выпол нить полное согласование антенны, т.е. найти такие её параметры, чтобы вход ной импеданс составил 50 Ом. Частот ная характеристика ПА имеет полосу 92 МГц (см. рис. 2), тогда можно найти [4] КПД = Δ f / Δ f t = 92/122 = 74%, где Δ f – полоса частот без учета потерь, Δ f t – полоса частот с учётом тепловых по терь. Это означает, что 26% мощнос ти, подведённой к антенне, уходит на нагрев. Расчёт (HFSS) антенны (см. рис. 1) показывает, что на частоте 1,61 ГГц мощность, поглощаемая антенной P погл = 0,8494 Вт, мощность, излучае мая в дальней зоне Р изл = 0,6235 Вт, КПД, рассчитанный по формуле (3), равен 73,4%. Таким образом, можно считать, что значения КПД, рассчитан ные по формулам (2) и (3), совпадают при расчёте мощности в полосе час тот по уровню 0,707. Пространственная диаграмма на правленности ПА, рассчитанная с по мощью HFSS (см. рис. 3), показывает, что КНД антенны равен 5,76 дБ. Крите рием верности расчёта являются усло вия | S 11 | < 1, КНД > 1 и сходимость к единственному решению. Р АСЧЁТ АНТЕННЫ ПРИ ПОМОЩИ CST MWS Базовым методом в программе CST является метод FDTD – расчёт систе мы уравнений Максвелла во времен ной области. В этом методе простран ство ПА разбивается на параллеле пипеды, включая трёхмерную форму металлического покрытия толщиной 0,1 мм. Вычисление во временной об ласти позволяет решать электромаг нитную задачу для всего диапазона частот за одну итерацию, что делает метод FDTD удобным для расчёта сверхширокополосных устройств. Од нако итерация может потребовать зна чительного времени расчёта. При сравнении методов расчёта не обходимо выяснить, в чём основное различие: в разбиении на ячейки ос новной конфигурации, в расчёте эле ментов матрицыили в точности расчё та системы уравнений? Например, в анализируемой модели ПА могут быть скошенные края, которые вызывают разное заполнение автономными бло ками. Тогда погрешность объясняется недостаточной плотностьюразбиения на ячейки. Учёт потерь, сосредоточенных в ме талле и в подложке, очень важен для сравнения программ. Установив поте ри в подложке и в металле, в результа те расчёта на CST MWS получаем час тотные характеристики ПА, показан ные на рисунках 4 и 5. Видно, что полоса пропускания антенны без по терь равна 68 МГц (см. рис. 4). С учё том потерь рассчитанная полоса уве личится. Учёт потерь выполняется в различ ных программах и методах по разно му. В программе HFSS задают гранич ные условия на металлические поверх ности с потерями как граничное условие Impedance (Ом/квадрат). Ана лиз и сравнение с экспериментальны ми данными показали значение R = = 0,015 Ом/квадрат, что соответствует результату, полученному при полном заполнении пространства медью [4]. В отличие от HFSS, в программе CSTMWS трёхмерная форма ПА полностью за полняется металлом. Для учёта потерь (см. рис. 5) введём также тангенс угла диэлектрических потерь в подложке, равный 0,01. Ши рина полосы 133 МГц получается при согласовании на центральной частоте 1,6 ГГц, для чего последовательно с портом вводится ёмкость 2 пФ. При оценке затрат на расчёт задачи следует ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 50 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012 Таблица 1. Затраты времени и ОЗУ при расчёте с помощью программы HFSS Процесс Время Используемый объём ОЗУ, Мб Разбиение на сетку 1 мин 23 с 62,8 (50 372 тетраэдра) Расчёт элементов матрицы 11 с 1240 Решение матрицы на одной частоте 20 с 1240 Постпроцессорная обработка данных 10 с – Общее время расчёта на всех частотах 4 мин 14 с 1240 Рис. 3. Пространственная диаграмма направленности ПА, рассчитанная с помощью HFSS © СТА-ПРЕСС