Материал: Методы анализа и синтеза устройств СВЧ и антенн для самостоятельного изучения. Пастернак Ю.Г., Попов И.В

ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

Кафедра радиоэлектронных устройств и систем

22-2008

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

«Методы анализа и синтеза устройств СВЧ и антенн»

для самостоятельного изучения раздела 2 занятия 10

по дисциплине «Устройства СВЧ и антенны» для студентов специальности 210302 «Радиотехника» очной формы обучения

Воронеж 2008

Составители: д-р техн. наук, проф. Ю.Г. Пастернак, аспирант И.В. Попов, доцент З.Н. Федорова

УДК 621.396.67

Методические указания «Методы анализа и синтеза устройств СВЧ и антенн» для самостоятельного изучения раздела 2 занятие 10 по дисциплине «Устройства СВЧ и антенны» для студентов специальности 210302 «Радиотехника» очной формы обучения / ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Ю.Г. Пастернак, И.В. Попов, З.Н. Федорова. Воронеж, 2008. 26 с.

Данные методические указания содержат обзор современных систем автоматизированного проектирования устройств СВЧ и антенн, а также описание практических методик разработки сверхширокополосных антенн. Методические указания предназначены для самостоятельного изучения раздела 2 занятие 10 «Методы анализа и синтеза устройств СВЧ и антенн» студентами специальности 210302 «Радиотехника» очной формы обучения по дисциплине «Устройства СВЧ и антенны».

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе Microsoft Word и содержаться в файле САПР_СВЧ_АНТ

Табл. 4. Ил. 26. Библиогр.: 9 назв.

Рецензент канд. техн. наук, доц. А.Б. Токарев

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ-мат. наук, проф. Ю. С. Балашов

Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

 ГОУВПО «Воронежский государственный

технический университет», 2008

Введение

Целью преподавания дисциплины является изучение основных теоретических понятий, расчетных методов и принципов конструирования устройств СВЧ и антенн, подготовка к овладению современными методами их разработки на основе специализированных САПР. Уяснение решающей роли антенных систем и трактов СВЧ в обеспечении задач пространственной обработки сигналов в радиосистемах. Установление фундаментальных ограничений на достижимые параметры радиосистем, налагаемых электрическими размерами антенн, погрешностями изготовления, требованиями к применяемому диапазону волн и ширине рабочей полосы частот. Получение и закрепление навыков экспериментального исследования антенных систем и трактов СВЧ с упором на автоматизацию измерений. Понимание проблем воздействия СВЧ на окружающую среду и методов защиты от радиоизлучений, включая соответствующие аспекты общей проблемы электромагнитной совместимости.

1. Обзор принципов построения, возможностей и эффективности программных средств численного электродинамического моделирования

Современные методы разработки устройств СВЧ и антенн, основаны на математическом моделировании с использованием специализированных САПР. Различные методы численного электромагнитного моделирования, сгруппированные на основании способа решения уравнений Максвелла: в частотной или временной области и формы уравнений Максвелла (дифференциальная или интегральная) приведены в табл.1. Наиболее широко использующиеся в процедурах разработки устройств СВЧ и антенн, специализированные САПР приведены в табл.2.

Таблица 1

Численные методы моделирования

Таблица 2

Электродинамические симуляторы и САПР

В рамках даже такой специализированной области, как численное электромагнитное моделирование антенно-фидерных и СВЧ устройств, существование большого количества различных систем моделирования оправдывается, с одной стороны, их специализацией, с целью максимального использования преимуществ различных методов при проектировании определенных классов радиочастотных устройств на электродинамическом уровне. С другой стороны, даже такие системы моделирования, которые используют очень близкие вычислительные методы, реализуют эти методы с использованием оригинальных алгоритмов, которые обеспечивают этим системам повышенную производительность или экономичность в использовании памяти.

Кроме того, практические возможности использования при разработке конкретных устройств и, соответственно, коммерческий успех систем электромагнитного моделирования, в значительной степени определяются следующими их основными характеристиками: функциональными возможностями; способами ввода геометрии устройств; доступными формами вывода результатов моделирования; наличием возможности проведения параметрических расчетов и оптимизации геометрии по выходным характеристикам.

Так, для разработки устройств, с преимущественно планарными структурами (микрополосковые и полосковые СВЧ-цепи, рис. 1) эффективно используются САПР на основе различных реализаций метода моментов (IE3D, FEKO, TriD, Momentum, Sonnet, EMSight).

Рис. 1. Примеры планарных структур

Системы моделирования на основе варианта метода моментов, созданного для электрически тонких проводников (SuperNEC, NEC, Mmana), преимущественно используются для моделирования проволочных антенн или решения электродинамических задач, для которых представление объектов в такой форме является приемлемым, рис. 2.

Рис. 2. Модели в виде тонкопроволочных структур

Для широкополосных антенных и волноводных устройств (рис. 3), с преимущественно трехмерными сложными конструкциями, целесообразно использовать системы на основе различных реализаций конечно-разностного метода во временной области (Zeland FIDELITY, IMST EMPIRE, APLAC, Remcom XFDTD, CST Microwave Studio).

Рис. 3. Волноводные устройства

Для моделирования и проектирования трехмерных радиочастотных устройств, с высокой точностью решений, широко используется система HFSS (рис. 1.4), на основе метода конечных элементов, компании Ansoft.

Рис. 4. Сложные трехмерные объекты в системе HFSS

Анализ дифракционных явлений, протекающих в непосредственной близости от трехмерных проводящих и поглощающих объектов сложной морфологии эффективно проводится в САПР, использующих однородную теорию дифракции (UTD), например в системе XGTD компании Remcom, рис. 5.

Рис. 5. Исследование сложных объектов в среде XGTD

Моделирование и исследование антенных комплексов, расположенных на объектах больших электрических размеров и сложной формы, возможно проводить в системах, позволяющих строить гибридные модели, на основе двух и более методов. Так, в системах FEKO и SuperNEC, метод моментов используется совместно с методом, построенным на основе однородной теории дифракции (UTD), что позволяет моделировать антенные системы в присутствии рассеивателей сложной морфологии, рис. 6.

Рис. 6. Антенны, расположенные на объектах существенных электрических размеров

Важной частью численного электромагнитного моделирования является проблема возбуждения электромагнитных процессов в устройствах и проблема определения сосредоточенных параметров радиочастотных устройств (embedding, de-embedding). Для решения этой проблемы в системах моделирования применяются порты.

Порт, как правило, является частью объекта моделирования, содержащей связанную или волноводную линию передачи. С помощью специальных вычислительных приемов и правил задания порты считаются полубесконечными и идеально согласованными. В линии передачи могут распространятся, кроме основной, также и высшие моды, которые в общем случае, все должны учитываться при моделировании. В большинстве случаев, первоначально предполагается наличие только одной моды, но если высшие моды распространяются в порте (и соответсвенно в реальной фидерной линии) без больших потерь, их необходимо учитывать при моделировании устройства (и, соответственно, в работе реального устройства).

Подходы к определению портов и их параметров варьируются в различных системах моделирования от простейших сосредоточенных портов (Remcom XFDTD, SuperNEC), до целой системы сосредоточенных и распределенных портов (Zeland IE3D, Sonnet, EMSight), рис. 7.

Рис. 7. Пример задания порта в системе Zeland IE3D

В ряде систем моделирования используются специальные вычислительные модули на основе 2-D алгоритмов для определения всех мод распространения (Ansoft HFSS, Agilent HFSS, CST Microwave Studio), рис. 8.

Определение портов для моделирования дифференциальных структур имеет свои особенности, которые могут быть с учтены с помощью введения в модель четных и нечетных мод (Zeland IE3D).

Рис. 8. Анализ порта в системе CST Microwave Studio

Рассмотрим особенности и вычислительные возможности различных методов численного электромагнитного моделирования.

Метод конечных элементов (FEM). В данном методе, область моделирования делится на малые тетраэдры и поле в каждом тетраэдре описывается локальной функцией. Для количественного представления векторных полей используются различные схемы интерполяции, компонент электрической и магнитной составляющих векторного поля в центре тетраэдра по ее значениям в вершинах тетраэдра. Для интерполяции используются три касательные компоненты электрической и магнитной составляющих к соответствующим ребрам тетраэдра, могут использоваться компоненты электрической и магнитной составляющих в средней точке ребер (рис. 9).

Рис. 9. Используемые в методе конечных элементов компоненты поля

Представляя таким образом компоненты векторного поля, уравнения Максвелла в частотной области преобразуются в алгебраические уравнения матричного вида, которые решаются с использованием итерационных численных методов.

Метод конечных элементов позволяет моделировать трехмерные объекты произвольной формы. Параметры проводящих, магнитных и диэлектрических материалов могут быть произвольными, в том числе анизотропными. Для моделирования антенных устройств метод конечных элементов требует применения граничных условий излучения, которыми в модели заменяется окружающее свободное пространство. Граничные условия излучения можно интерпретировать, как поглощающую границу, поэтому она может быть размещена относительно близко к модели устройства и иметь произвольную, не обязательно сферическую форму.

Метод моментов (MoM). В данном методе все металлические поверхности разбиваются на элементарные площадки, которые заменяются эквивалентными электрическими поверхностными токами, рис. 10.

Рис. 10. Разбиение поверхности металла на малые площадки

Для аппроксимации электрического тока в пределах площадки, используются постоянные, линейные или треугольные базисные функции. Затем решается задача возбуждения окружающей среды данными токами. Решение задачи возбуждения среды осуществляется с помощью аппарата тензорных функций Грина. После того, как задача возбуждения решена, и электрическое поле найдено, на него накладываются граничные условия на металлических элементах. В результате выполнения граничных условий в дискретных точках на металлических поверхностях получается система линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) относительно коэффициентов при базисных функциях, которые имеют смысл амплитуд токов, текущих в пределах элементарной площадки. Последнее условие используется для определения эквивалентных токов. Из особенностей метода следует одно из его преимуществ - отсутствие необходимости применения дополнительных граничных условий для расчета параметров излучения в окружающее свободное пространство. Количество уравнений в СЛАУ пропорционально числу элементарных площадок , поэтому для моделирования антенных систем на реальных объектах, используемых в качестве носителей, с помощью «классического» метода моментов требуется решение СЛАУ весьма большой размерности (до нескольких миллионов). В настоящее время существуют модификации метода моментов, табл. 3, в которых реализована идея учета влияния только близлежащих площадок, что позволяет существенно уменьшить порядок СЛАУ и затраты памяти.

Таблица 3

В табл. 4 приведены данные по требуемой оперативной памяти для решения различных электродинамических задач при использовании «классического» метода моментов и метода MLFMM, разработанного для системы FEKO:

Задача 1 - самолет – истребитель;

Задача 2 - корабль (1152014 м³);

Задача 3 - параболическая антенна.

Таблица 4

Сравнение требуемой памяти для использования «классического» метода моментов и модернизированного метода моментов MLFMM