Современная электроника №4/2022

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ 52 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2022 Использование плоскостей симметрии волноводных структур при расчёте в ANSYS HFSS Рис. 1. Осесимметричный ступенчатый переход между круглыми волноводами Рис. 2. Ступенчатый переход между круглым и прямоугольным волноводами С помощью программы ANSYS HFSS проведены расчёты осесимметричного перехода между круглыми волноводами и перехода от круглого волновода к прямоугольному волноводу. Рассмотрено возбуждение переходов разными модами круглого волновода (TE11, TM01 и ТЕ21). Ширина относительной полосы частот при расчёте составляла 40% (8…12 ГГц), наибольший поперечный размер волноводов равен 2,4 λ на центральной частоте. Показано, что для подобных вычислительных задач применение ANSYS HFSS может давать ошибочные результаты из-за ограничения максимального числа мод в волновых портах 25 модами. Предложено вводить в анализируемой структуре продольные плоскости симметрии, на которых должны быть введены граничные условия, соответствующие возбуждающим модам, и получать вырезки в форме «половинки» или «четвертинки» структуры. Результаты расчёта в ANSYS HFSS для «четвертинки» структуры сравниваются с результатами, полученными по методу моментов, и получено полное совпадение. Виктор Конев, Александр Курушин, Евгений Лаврецкий, Евгений Новосёлов, Валентин Чернышов Введение Одной из наиболее мощных про- грамм электродинамического моде- лирования, широко применяемых в практической деятельности для расчё- тов различных волноводных структур и антенн, является пакет ANSYS [1, 2]. При расчёте волноводных структур в ANSYS HFSS возбуждение обычно вводится в виде волновых портов (Wave port). По умолчанию в волновых портах вводит- ся по одной моде. Результатом расчёта является S-матрица волноводной струк- туры. При задании в волновых портах нескольких мод рассчитывается много- модовая S-матрица. Максимальное чис- ло мод в волновых портах в ANSYS HFSS ограничено и равно N = 25. В данной статье рассмотрены две расчётные модельные задачи. Первая задача состоит в расчёте волноводной конструкции, представляющей собой ступенчатый переход между круглыми волноводами (рис. 1). Диаметр меньше- го волновода выберем равным ∅ 36 мм, диаметр большего волновода выбе- рем равным ∅ 72 мм. Введем три сту- пени между волноводами: первая сту- пень с диаметром D1 = ∅ 45 мм и длиной L1 = 10 мм; вторая ступень с D2 = ∅ 54 мм, L2 = 10 мм; третья ступень с D3 = ∅ 63 мм, L3 = 10 мм. Для всех цилиндрических областей вводим сегментацию с чис- лом сегментов Nseg = 36. Сегментация позволяет контролировать точность расчёта, так как задаёт явным обра- зом аппроксимацию криволинейных поверхностей плоскими участками, которая необходима для введения сет- ки тетраэдров. Длина регулярного вол- новода слева и справа была равна в про- екте Lreg = 35 мм. Вторая задача состоит в расчёте вол- новодной конструкции, которая пока- зана на рис. 2. Структура представляет собой аналогичный ступенчатый пере- ход (все диаметры и длины круглых волноводов слева те же), но заканчи- вающийся прямоугольным волноводом ax × ay = 72 × 63 мм (вместо круглого вол- новода ∅ 72 мм). В отличие от преды- дущей осесимметричной структуры, данная структура с прямоугольным волноводом имеет только две плоско- сти симметрии – продольные плоско- сти XOZ и YOZ. Волновые порты будем обозначать как порт 1 и порт 2 (см. рис. 1 и 2). Будем интересоваться случаем воз- буждения со стороны порта 1 (мень- шего круглого волновода, имеющего ∅ 36 мм). В табл. 1 приведены критиче- ские диаметры [3] и критические часто- ты (частоты отсечки) для нескольких интересующих нас низших мод кругло- го волновода для ∅ 36 мм. Расчёт будем проводить в диапазоне частот от 8 до 12 ГГц. В указанномдиапа- зоне частот входной волновод ∅ 36 мм является многомодовым, что позволяет выполнить расчёт одной и той же кон- струкции при возбуждении разными модами круглого волновода. На цен- тральной частоте рабочего диапазона (10 ГГц) диаметры входного и выход- ного волноводов равны в длинах волн ∅ 36 мм = 1,2 λ и ∅ 72 мм = 2,4 λ соответ- ственно, что представляет собой доста- точно небольшой размер. В волновых портах слева и справа будем вводить по 25 мод (максимальное разрешённое количество). В представленных далее результатах расчётов показано, что непосредствен- ный расчёт структур на рис. 1 и 2 в HFSS Таблица. Критические диаметры и частоты для круглого волновода ∅ 36 мм Мода Критические диаметры, Критическая частота, ГГц ТЕ11 0,586 4,883 ТМ01 0,766 6,383 ТЕ21 0,972194 8,102 TE01 1,21967 10,164 TM11 1,21967 10,164