Шишаков К.В. (ред.). Моделирование антенн и элементов тракта - Учебно-методическое пособие для выполнения курсовых и самостоятельных работ

Подождите немного. Документ загружается.

известной программой AutoCAD. С помощью этой технологии прорисовка

объемных СВЧ устройств даже самых сложных конфигураций производится

легко и быстро.

Примеры применения программы СST Microwave Studio.

Кликните, чтобы увеличить

После импорта проекта коаксиального

разъема, выполненного в стандарте IGES,

расчет его S-параметров в широком

диапазоне частот занимает не более 15 мин.

Программа CST MWS имеет возможность

экспорта POV-файлов, что дает возможность

просматривать реалистичные изображения

моделируемых устройств с фотографическим

качеством

Оптимизация микрополоскового

ответвителя с вариацией 4 параметров

заняла на компьютере PIII 800 менее 8

минут. При оптимизации

использовались параметрическое

описание проекта и автоматическая

оптимизация. На графиках показаны

характеристики до и после

оптимизации соответственно

Кликните, чтобы увеличить

Поле в ближней зоне этой рупорной антенны,

питаемой коаксиальной линией, может быть

показано с помощью анимационного

изображения, визуализирующего эффекты

распространения и обратного рассеяния

электромагнитных волн

Моделирование этого волноводного

ответвителя мощности с 8 портами на

компьютере Pentium II 350 МГц заняло менее

5 минут. Потоки ответвляемой мощности

показаны с помощью разноцветных линий.

Цвет соответствует уровню ответвляемой

мощности

Кликните, чтобы увеличить

Структура данного волноводного фильтра

была построена и подготовлена к

моделированию менее, чем за 15 мин.

Графический редактор на базе ядра ACIS

позволяет строить сложные объемные

структуры с криволинейными поверхностями

с использованием булевых операций и

функции сопряжения объектов

Основные характеристики пакета CST Microwave Studio.

• Расчет S-параметров в широком диапазоне частот.

• Собственный графический интерфейс для ОС Windows 95/98/NT/2000.

• Мощный встроенный язык написания макросов VBA, поддержка

технологии связывания и встраивания объектов (OLE).

• Быстрое и точное решение во временной области, полученное с

помощью метода определенных интегралов.

• Значительное увеличение производительности благодаря

использованию метода аппроксимации для идеальных граничных

условий (PBA).

• Построение анализируемой структуры на базе ACIS.

• Импорт и экспорт структур в форматах SAT, IGET и STL.

• Различные режимы возбуждения структуры с помощью внешних и

внутренних портов.

• Расчет собственных мод портов с помощью специальной решающей

программы.

• Автоматический расчет импедансов портов.

• Пересчет полученных S-параметров для специфических значений

импедансов портов.

• Анимационное отображение полей.

• Отображение полученных результатов по мере выполнения расчета.

• Мощный оптимизатор.

• Расчеты поля антенн в дальней зоне (двух- и трехмерное

представление поля, усиление, расчет угловой ширины основного и

боковых лепестков диаграммы направленности).

• Автоматическая генерация ячеек анализа на базе экспертной системы.

• Адаптивный метод измельчения ячеек анализа.

Обзор интерфейса CST MICROWAVE STUDIO 5.0.

Дерево навигации является существенной частью интерфейса

пользователя. Отсюда можно иметь доступ к структурным элементам, а

также просматривать результаты моделирования.

Контекстные меню являются коротким путем доступа часто

использованных команд меню. Содержание этого меню (которое может быть

открыто нажатием правой кнопки мыши) меняется динамически.

Плоскость для рисования является плоскостью, на которой рисуются

структуры.

Наиболее передовая часть интерфейса пользователя является

встроенный Basic редактор/отладчик. Этот язык почти 100% совместимый с

Visual Basic. Вы можете использовать этот язык или для создания вашей

собственной структурной библиотеки, или для автоматизации общих задач.

Другие элементы интерфейса пользователя являются стандартом для

Windows.

Программа HFSS.

Программа трехмерного электромагнитного моделирования для

проектирования СВЧ структур HFSS (High Frequency Structure Simulator) –

это мощный пакет программ, который вычисляет S-параметры и

электромагнитные поля для трехмерной пассивной структуры произвольной

формы.

Черчение структуры в HFSS. Для перехода в режим рисования следует

в основном меню нажать Model=>Draw

Вы можете работать сразу с одним, двумя или четырьмя видами (сверху,

справа, слева, проекция). Для выбора количества окон для отображения

видов следует нажать Window=>Layout.

Для увеличения, уменьшения, перемещения нарисованных объектов,

изменения направления обзора предусмотрены специальные команды.

Перед началом работы следует выполнить установки в окне Window

=>Project Preferences, выбрав единицу измерения, размер рисуемой

области, параметры сетки.

В HFSS существуют возможности для черчения двумерных и

трехмерных объектов.

Для изображения двумерных структур используются следующие

объекты: линии, дуги, окружности, эллипсы, прямоугольники и команды,

позволяющие создать сложные фигуры Unite (Объединение), Intersect

(Пересечение), Subtract (Вычитание).

Для создания трехмерных структур можно использовать объекты:

параллелепипед (Box), цилиндр, конус, сфера и команды Unite, Intersect,

Subtract, а также Sweep, Revolve, Connect.

Revolve используется для вращения двумерного объекта вокруг линии

для создания трехмерного.

Connect создает трехмерный объект, соединяя два двумерных.

Sweep создает трехмерный объект, приподнимая двумерный на

определенную высоту.

Вы можете использовать встроенную библиотеку компонентов, для

рисования спиралей, мостов, микрополосковых элементов и др.

Для редактирования структуры Edit предусмотрены следующие

команды:

Undo - отмена действий;

Move – перемещение объекта по трем координатам;

Copy - копирование объекта по трем координатам, с заданным шагом,

количество копий может быть различно;

Scale – масштабирование;

Rotate - поворот вокруг заданной линии на любой угол;

Mirror – зеркальное отображение относительно заданной плоскости;

Slice – отсечение части у трехмерного объекта, может быть

использовано для объектов, имеющих плоскости симметрии по E и H.

Delete – удаление объекта, если имеются сложные объекты, полученные,

например, после команды Unite, удаление производится последовательно:

сначала сложный, затем при необходимости удаляются его составные части;

Unlink - разрыв связи с исходным объектом для возможности

редактирования копий.

Object Parameters – редактирование параметров объектов, кроме

полилиний и дуг (для них используется 2D Object=>Point=>Move).

Граничные условия. Существуют следующие типы граничных

условий, которые можно применить к поверхностям:

1 Port (Порт)—Port это граничное условие, которое позволяет энергии

поступать и выходить из структуры.

2 Perfect H —Perfect H это идеальная магнитная граница. Этот тип

границы вынуждает магнитное поле (H-поле) быть нормальным к

поверхности, к которой оно приложено.

3 Perfect E—Perfect E это идеальная электрическая граница, это также

относится к идеальному проводнику. Этот тип границы вынуждает

электрическое поле (Е-поле) быть нормальным к поверхности, к которой оно

приложено. Данное граничное условие автоматически присваивается в двух

случаях:

• Любой поверхности объекта, которая касается внешней

поверхности рассматриваемого объема, ей дается имя _OUTER_.

• К поверхности любого объекта, которому присвоен тип материала

Металл (идеальный металл) и дается имя _MATERIAL_.

4 Symmetry Planes—Плоскость симметрии существует в том случае, если

структура имеет геометрическую и электромагнитную симметрию, то есть,

когда поля в одной половине структуры либо идентичны, либо являются

зеркальным отображением полей в другой половине структуры. Плоскость

симметрии может рассматриваться, как другие поверхности структуры, и

иметь граничные условия. Использование плоскостей симметрии позволяет

упростить процесс симуляции и уменьшить время счета в несколько раз.

5 Ground Plane—Плоскость заземления (экранирующая плоскость)

рассматривается, как бесконечная идеальная электрическая граница. Если в

структуре используются излучающие границы, плоскость заземления

является экраном для излучаемой энергии, предотвращающим

распространение волн за нее. Экранирующая плоскость используется для

моделирования антенн с однонаправленным излучением, так как имеет

бесконечные размеры и непрозрачна, в том числе, и для поля в дальней зоне

6 Conductor—Проводник позволяет определить поверхность объекта,

как неидеальный (с потерями) проводник. Это не идеальная электрическая

граница. Для моделирования вводятся потери в размерности Siemens/meter,

и параметры проницаемости позволяют определить поверхность,

являющуюся неидеальным проводником. Потери рассчитываться в

зависимости от частоты.

7 Resistor—Можно моделировать поверхность или границу, как

резистивную, и задать вещественную или мнимую части сопротивления или

проводимости в размерности ohms/square.

Сопротивление величина постоянная и не меняется с частотой.

8 Radiation Boundary—Излучающая граница относится к поглощающим

границам, позволяет моделировать электрически открытую структуру: волны

могут излучаться из структуры по направлению к излучающей границе.

Система поглощает волны на излучающей границе, по существу расширяя

внешнюю границу структуры до бесконечночти.

Излучающая граница также может быть расположена в относительной

близости от структуры и иметь произвольную форму. Это условие

исключает необходимость в сферической границе. Для структур, имеющих

излучающие границы, рассчитываются S- параметры, учитывающие потери

на излучение, а расчет поля в дальней зоне становится неотъемлемой частью

процесса симуляции.

9 Restore—Восстановленные граничные условия восстанавливают

исходные параметры поверхности объекта, возвращают свойства материала

выбранной зоны объекта к первоначальным значениям, отменяя любое

наложенное граничное условие. Это не оказывает действия на любые

назначения материалов, сделанные через меню Materials. Такие граничные

условия используется, например, чтобы смоделировать апертуру рупорной

антенны внутри излучающей границы. Эти границы используются главным

образом для того, чтобы облегчить процесс определения граничных условий

на сложных объектах.

Граничные области.

Можно задать положение границ следующими путями:

l 3-point Plane— Плоскость по 3-м точкам: Вы можете определить

сплошную плоскость, имеющую определенные граничные условия. Это

используется для определения положения плоскости заземления, плоскостей

симметрии.

2 3-point Bounded Plane— Ограниченная плоскость: Ограниченная

область внутри плоскости, например, одна или более поверхностей объекта,

может быть определена как зона и иметь единственное граничное условие.

Такой метод удобен для определения портов на концах волновода.

3 Object Name— Имя объекта: Целая поверхность объекта имеет

единственное граничное условие. Одно из применений этого способа –

симуляция излучения антенны. Для этого необходимо окружить антенну

боксом из воздуха, затем присвоить боксу излучающую границу. В процессе

симуляции будет учитываться, что поверхность бокса очень далеко и

поглощает энергию, таким образом достигается эффект излучения в

свободное пространство.

4 Surface Intersection—Пересечение поверхностей: Зона перекрытия

двух плоскостей, которой могут быть присвоены граничные условия.

Порядок действия.

При присвоении портов и границ следует иметь в виду:

• Порты имеют преимущества над любыми другими граничными

условиям, с которыми они частично совпадают.

• Во всех других случаях последующее назначение границы будет

переопределять существующие границы, с которыми она пересекается.

Порты и источники.

Как уже говорилось выше, решения для собственных волн, полученные

для каждого порта, служат граничными условиями для трехмерного поля в

структуре, которое должно быть согласовано с этими решениями.

Порты не похожи на другие типы границ. Порт позволяет энергии

поступать и выходить из структуры, что является необходимой частью

процесса симуляции. Порты применяются, чтобы обозначить зоны, через

которые энергия входит и покидает структуру.

Как альтернативу портам можно использовать источники напряжения,

это может быть, например, соединение с чем либо, не включенным в

структуру (вход транзистора).

Порт должен быть калиброван. Калибровка определяет направление и

полярность поля и необходима при расчете напряжений. Также возможно

выполнение расчета только портов (ports-only solution) без выполнения

полной симуляции.

Это дает данные об относительной напряженности поля, импедансе,

постоянной распространения на выбранном порте.

Программа Microwave Office.

Главное окно включает верхнюю линейку компонентов:

File – Файл, Project – Проект, Simulate – Моделирование, Options –

Параметры, Windows – Окно, Help – Справка;

И нижнюю линейку закладок:

Proj – Просмотр проекта включает

Design Notes – Текстовый редактор для коментариев,

Project Frequency – Задание рабочих частот проекта,

Global Equations – Задание глобальных выражений (может сожержать

любые уравнения или функции),

Data Files – Использование внешних файлов данных,

Schematics – Схемы проекта и параметры к ним,

EM Structures – Использование электромагнитных структур,

Conductor Materials – Использование проводящих материалов,

Output Equations – Выходные уравнения,

Graphs – Графики проекта пяти типов: антенные чертежи,

прямоугольная система координат, диаграмма Смита, полярная

система координат, табличная форма.

Optimization Goals – Задание целей оптимизации,

Yield Goald – Цели выхода (статистический анализ)

Output Files – Создание выходных файлов с выходными значениями

величин;

Elem – Просмотр элементов,

Var – Просмотр величин элементов,

Layout – Топология.

Окно просмотра проекта содержит четыре вкладки: Project (проект),

Elements (элементы), Variables (переменные) и Layout (топология).

Краткое содержание проекта.

На вкладке Project (сокращено Proj, рис. 1) отображается дерево групп

и модулей, которые уже используются, а также могут быть использованы в

данном проекте. Сюда входят: блок комментариев, блок опций проекта, блок

глобальных выражений, группа используемых внешних файлов данных, блок

системных диаграмм, группа используемых схемотехнических модулей,

группа используемых электромагнитных структур, группа используемых

проводящих материалов, блок выходных выражений, группа отображения

результатов расчета, группа целей оптимизации, группа статистического

анализа и группа формирования выходных файлов. Как правило, при

открытии проекта вкладка Project открывается первой, для перехода на нее

необходимо щелкнуть на закладке с надписью Proj в нижней части окна

просмотра проекта. О наличии в группе вложенных модулей сигнализирует

маленький квадратик в точке ветвления дерева проекта. Двойной щелчок на

каждом модуле группы открывает соответствующее окно просмотра на

рабочем столе Microwave Office или диалоговое окно, руководящее

последующими действиями пользователя. Подсказка в виде контекстных

меню, появляющихся при нажатии правой клавиши мыши на любом объекте

проекта и предлагающие на выбор список возможных дальнейших действий.

Перемещение между блоками и группами дерева проекта внутри вкладки

можно также выполнить с помощью клавиш <↑> и <↓>.

Блок комментариев (Design Notes) предназначен для внесения

сопроводительной информации в проект, а также комментарии, для других

инженеров.

Блок опций проекта (Project Options) служит для задания

значений частот, единиц, параметров по умолчанию проекта.

Блок глобальных определений (Global Definitions) служит

для определения переменных, от которых зависят отдельные параметры

элементов схем и изменение которых в проекте должно производиться

пропорционально или синхронно.

Группа внешних файлов данных (Data Files) содержит список

любых файлов данных, которые были добавлены к проекту извне. Внешние

файлы данных дают возможность наглядно сравнивать результаты,

полученные в ходе макетирования СВЧ устройства, с результатами расчета.

Группа схемотехнических модулей (Schematics)

отображает список всех частей проекта, заданных в виде электрических

схем. Список имеет иерархическую структуру с возможностью

многократного вложения отдельных модулей, которые могут быть заданы

как схемы, подсхемы, списки соединений, внешние файлы и EM структуры.

Рис. 1. Состав вкладки Project.

Группа EM структур (EM Structures) отображает список всех

частей проекта, заданных в виде EM структур. В данной группе содержится

блок устанавливаемых по умолчанию параметров структур Default EM

Options. Здесь устанавливаются параметры, действительные для всех без

исключения EM модулей проекта, однако имеется возможность

индивидуального задания параметров для каждого из них в отдельности.

Группа проводящих материалов (Conductor Materials)

содержит список всех проводящих материалов, используемых в EM

структурах проекта. По умолчанию в этой группе содержится идеальный и

медный проводники, однако пользователь всегда может добавить сюда

новые материалы.

Блок выходных выражений (Output Equations) служит для

определения переменных, получаемых из рассчитанных характеристик.

Главное отличие выходных выражений от глобальных состоит в том, что

рассчитанные с их помощью переменные можно отобразить на графике.

Рис. 2. Состав вкладки Elements.

Группа отображения результатов расчета (Graphs) содержит все

графики, диаграммы и таблицы, полученные в процессе моделирования.

Группа целей оптимизации (Optimizer Goals) содержит

список рассчитываемых характеристик, которые необходимо

оптимизировать в процессе работы с проектом.

Группа статистического анализа (Yield Goals) содержит список

характеристик, которые необходимо рассчитать с учетом случайного

изменения заданных параметров элементов проекта.

Группа формирования выходных файлов (Output Files)

содержит список файлов в различных форматах, которые формируются по

итогам моделирования.