СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2014

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 74 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2014 ANSYS HFSS: передовые технологии трёхмерного решения электродинамических задач В современном производстве всё более востребованы передовые технологии автоматизации проектирования. В статье рассматриваются передовые технологии трёхмерного полноволнового электродинамического моделирования в программной среде ANSYS HFSS, где разработчикам предлагается комплексный подход к процессу трёхмерного моделирования антенных и СВЧ-устройств. Александр Евграфов (Москва) Компания Ansoft (с 2008 года в соста- ве компании ANSYS Inc.) – мировой лидер в области разработки программ- ных решений для электромагнитного анализа радиоэлектронных устройств. За 30-летнююисторию существования компании программный продукт HFSS стал отраслевым стандартом трёхмер- ного решения прикладных электроди- намических задач. Обладая высокими точностью и скоростью расчёта, а так- же удобством использования, данная система автоматизированного проекти- рования завоевала популярность у раз- работчиков во всём мире. В последней версии программного продукта ANSYS HFSS [1] предложен комплексный под- ход к процессу трёхмерного моделиро- вания антенных и СВЧ-устройств. Передовые технологииANSYS 2014 го- да основаны на последних достижени- ях в области электромагнитного моде- лирования. Основное внимание уделяет- ся увеличениюскоростирасчёта, расши- рениюфункциональных возможностей и масштабируемости данного пакета программ. Использование современ- ных алгоритмов, основанных на мето- де конечных элементов, интегральных уравненийи гибридныхметодов расчё- та позволяет анализировать разнообраз- ные задачи в области электродинамики и распространения радиоволн. О СНОВНЫЕ КОНФИГУРАЦИИ И МЕТОДЫ РАСЧЁТА ПРОГРАММНОГО ПАКЕТА ANSYS HFSS 1. ANSYS HFSS Frequency – расчёт задач в частотной области методом конечных элементов (FEM, Finite Element Method). Данныйметод содержит прямой и итерационный матричный решатель. Пользователямпредоставляется возмож- ность выполнить расчёт паразитных параметров (S, Y, Z), отобразить трёх- мернуюдиаграмму распределения элек- тромагнитного поля в ближней и даль- ней зонах, создатьмоделидля эффектив- нойоценкикачества сигнала, рассчитать потери в линиях передачи, в том числе связанные с отражением сигнала, обу- словленным рассогласованием импе- данса, и влиянием паразитных связей. На рисунке 1представленпримеррасчё- та диаграммынаправленностиантенной решётки, состоящейиз антеннВивальди. 2. ANSYS HFSS Transient – расчёт задач во временно ′ й области с исполь- зованием дискретного метода Галер- кина (DGTD, Discontinuous Galerkin Time Domain). Позволяет исследовать задачи с импульсным источником воз- буждения, в том числе: радиолокацион- ную станцию (радар), электростатиче- ский разряд, электромагнитные поме- хи, молнии и т.д. 3. ANSYS HFSS-IE Solver – расчёт задачметодоминтегральных уравнений. Включает в себяметодмоментов (МОМ) и метод физической оптики (Physical Optics). Метод моментов позволяет рас- считывать токина проводящихповерх- ностях и диэлектрических объектах. Решатель использует метод адаптивно- го кросс-приближения (ACA) в сочетании с итерационнымрасчётомматриц. Дан- ныйметодпозволяет снизить требования к объёму оперативной памяти компью- тера, что даёт возможность применения его дляисследования большихобъектов. Метод физической оптики является чрезвычайно полезным при решении очень трудоёмких задач электромагнит- ного излучения и рассеяния, например, больших зеркальных антенн или круп- ных объектов (самолёты, корабли). На рисунке 2 представлен расчёт диаграм- мы направленности антенны, установ- ленной наМеждународной космической станции. Расчёт производился с исполь- зованием метода физической оптики. 4. ANSYS HFSS Hybrid Finite Ele- ment – Integral Equation Method (FE-BI) Solver. Данный решатель построен на методе декомпозиции и трёхмерном методе интегральных урав- нений; сочетает метод конечных эле- ментов для решения сложной геоме- трии с методом моментов для расчёта функций Грина в свободном простран- стве. С помощью этой технологии раз- работчики антенных устройств могут получить высокую точность модели излучения в дальней зоне. 5. HFSS Planar EM – планарный EM-решатель идеально подходит для проектирования СВЧ интегральных схем, монолитных и гибридных микро- волновых интегральных схем, систем- на-кристалле, беспроводных систем свя- зи и других ВЧ- и СВЧ-устройств. В каче- стве примера на рисунке 3 представлен расчёт распределения тока по элемен- там антенной решётки размером 16 × 16. 6. Antenna Design Kit (ADK). Данная утилита является бесплатной и содер- жит большое количество готовых шаблонов различных типов антенн: спиральных, печатных, рупорных, дипольных, полосковых и др. Интерак- тивная среда ADK (см. рис. 4) позволяет выбирать тип антенны, указывать необ- ходимый частотный диапазон, геоме- трические размеры, граничные усло- вия и тип решателя. Созданная модель антенны может быть включена в про- ект ANSYS HFSS для дальнейшего трёх- мерного анализа и оптимизации. Программный пакет ANSYS HFSS использует сетку с конечными элемен- тами в виде тетраэдров для поиска реше- ния исследуемой электромагнитной задачи [2, 3]. Адаптивный метод разбие- ния позволяет создавать геометрически оптимальную сетку для любого объекта Рис. 1. Расчёт диаграммы направленности антенной решётки в ANSYS HFSS Frequency