«Москва 2009 Введение Программа HFSS Ansoft v. 9-11 для электродинамического моделирования СВЧ структур В1. Общая характеристика HFSS Ansoft В настоящее время основной тенденцией развития программ проектирования ...»

4. Щелкните Done. Модифицированное сообщение появляется в окне представления.

Информация, которую Вы можете отображать в сообщении, зависит от Report Type, который Вы выбираете в диалоговом окне Create Report.

Выберите желаемые характеристики в окне Create Report:

На график будут выводиться многомодовые SModal S Parameters параметры, Y-, и Z-параметры, а также постоянная распространения, характеристическое полное сопротивление порта и коэффициент стоячей волны Terminal S Parameters нагрузками будут выводиться на графики, а также постоянная распространения, характеристический импеданс, и коэффициент стоячей волны по Основные или производные величин поля, Fields рассчитанные на поверхностях или в пространстве объектов будут доступны для вывода на график.

Вывод поля в дальней зоне. Следующие величины Far Fields будут доступны, чтобы составить график: модуль поля E, усиление антенны, реализованное усиление, направленность, осевое отношение, поляризационное отношение, и антенные параметры.

Чтобы вывести характеристики излучаемого поля, нужно задать сферу с бесконечной геометрией и по Излучаемые поля, вычисленные в ближней зоне. Вы Near Fields Двумерный прямоугольный график (x-y).

Rectangular Plot Трехмерный прямоугольная график (x-y-z).

Rectangular Plot двумерная полярная диаграмма, разделенная Polar Plot Трехмерный полярный график, разделенный 3D Polar Plot двумерная диаграмма Смита, на которую добавляется Smith Chart сетка нормированного сопротивления.

Таблица, в которую выводятся, в числовой форме, Data Table выбранные величины относительно изменяемой Двумерный полярный график излучаемых полей.

Radiation Pattern Диаграмма направленности – это 2D прямоугольный или полярный график, показывающий интенсивность излучения ближнего или дальнего поля, а также зависимости направленности, усиления антенны, и других ее параметров от координат. Она определяется в прямоугольных или сферических координатах, и представляет собой сечения трехмерной диаграммы направленности. Следующая процедура создает двумерную ДН.

1. В меню HFSS, укажите на Results, и затем нажмите Create Report.

Появляется окно Create Report.

2. В списке Target Design, нажмите конструкцию, решение которой вы хотите вывести на график.

3. В списке Report Type, нажмите тип данных.

4. В списке Display Type, нажмите Rectangular Plot, и затем нажмите OK.

Появляется диалоговое окно Traces.

5. В закладке Y, задайте характеристику, которая будет идти по оси Y:

a. В списке Category, нажмите тип информации, чтобы составить график.

b. В списке Quantity, нажмите значение, чтобы составить график.

c. В списке Function, нажмите математическую функцию, чтобы составить график.

6. В закладке X, задайте величину по оси X в одном из следующих способом:

• Выберите Use Primary Sweep. Это изменение первичного параметра, перечисленного в закладке Sweep, которое будет идти по оси X.

• Очистите опцию Use Primary Sweep, и затем выберите Category, Quantity, и Function, чтобы составить график на оси X. График будет составляться относительно первичной изменяемой переменной, перечисленной в закладке Sweeps.

7. В закладке Sweeps, подтвердите, или измените переменные графика, которые будут составлять график.

9. Щелкните Add Trace. График характеристики представляет один или большее количество линий, включая символы на графике. Характеристика добавлена к списку характеристик сверху диалогового окна Traces. Каждый столбец перечисляет ось на сообщении и информацию, которая будут составлять график на этой оси.

9. По желанию, на этот же график можно прибавить другую характеристику.

10. Щелкните Done. Функция выбранной характеристики будет составлять график относительно изменяемых переменных значений или величин, которые Вы задали на графике x -y. График перечисляется под Results в дереве проекта.

Создание трехмерных графиков в прямоугольной системе координат Прямоугольный график может быть трехмерным x-y-z графиком полученных результатов. Чтобы получить его:

1. В меню HFSS укажите на Results, и затем нажмите Create Report.

Появляется окно Create Report.

2. В списке Target Design, нажмите проект, характеристику которого вы хотите вывести на график.

3. В списке Report Type, нажмите тип характеристики.

4. В списке Display Type, нажмите 3D Rectangular Plot, и затем нажмите OK. Появляется диалоговое окно Traces.

5. В закладке Z определите информацию, чтобы составить график по оси z:

a. В списке Category, нажмите тип информации, чтобы составить график.

b. В списке Quantity, нажмите значение, чтобы составить график.

c. В списке Function, нажмите математическую функцию, чтобы составить график.

6. В закладке Y, выберите информацию, чтобы составить график по оси Y одним из следующих способов:

• Выберите Use Secondary Sweep. Вторичная (вторая) переменная, перечисленная в закладке Sweeps, будет составлять график по оси Y.

• Снимите опцию Use Secondary Sweep, и затем выберите Category, Quantity, и Function, чтобы составить график на оси Y. Величины, которые Вы выбираете, будут составлять график относительно второй переменной, перечисленной в закладке Sweeps.

7. В закладке X определите переменная, которая будет идти по оси X в одним из следующих способов:

• Выберите Use Primary Sweep. Первичная переменная, перечисленная в закладке Sweeps будет задавать график по оси X.

• Снимите опцию Use Primary Sweep, и затем выберите Category, Quantity, и Function, чтобы составить график на оси X. Величины, которые Вы выбираете, будут составлять график относительно первичная переменная, перечисленная в закладке Sweep.

9. В закладке Sweep подтвердите, или измените переменные, по которым будет составляться график.

9. Щелкните Add Trace. Характеристика представляет одну или большее коли-чество линий, включая символы на графике. График добавляется к списку характеристик сверху диалогового окна Traces. Каждый столбец перечисляет числа на оси и информацию, которая будут составлять график на этой оси.

10. Если нужно, аналогично прибавьте другую переменную.

11. Щелкните Done. Функция выбранного количества или количеств будут состав-лять график относительно значений, которые Вы задали на графике xy-z. График (рис. 9.19) перечисляется под Results в дереве проекта.

Рис. 9.19. Зависимость модуля S11 (дБ) от двух изменяемых параметров Создание двумерных полярных графиков Полярный график - это двумерная круговая диаграмма, разделенная сферическими координатами R и Theta, где R - радиус, или расстояние от Рассмотрим общую процедуру для черчения полярного графика:

1. В меню HFSS, укажите на Results, и затем нажмите Create Report.

Появляется окно Create Report.

2. В списке Target Design, выберите конструкцию, содержащую данные решения.

3. В списке Report Type, нажмите тип данных для составления графика.

4. В списке Display Type, нажмите Polar Plot, и затем нажмите OK.

Появляется диалоговое окно Traces. Закладка Polar выбирается по умолчанию.

5. В закладке Polar, задайте информацию, чтобы составить график:

a. В списке Category, нажмите тип информации, чтобы составить график.

b. В списке Quantity, нажмите значение, чтобы составить график.

c. В списке Function, нажмите математическую функцию величины, чтобы составить график.

6. В закладке Sweeps, задайте величины, чтобы составить график информации, которую Вы задали на шаге 5.

7. Щелкните Add Trace. Характеристика будет представлять одну или большее количество зависимостей, включая символы на графике.

Характеристика добавлена к списку характеристик сверху диалогового окна Traces. Каждый столбец перечисляет ось на сообщении и информации, которая будут составлять график на этой оси.

8. Если нужно, прибавьте другую характеристику.

9. Щелкните Done. Функция выбранной характеристики будет составлять график относительно значений, которые Вы задали на полярной диаграмме.

График перечисляется под Results в дереве проекта.

Создание трехмерных полярных графиков Трехмерный полярный график – это трехмерная круговая диаграмма, разделенная сферическими координатами R, Theta, и Phi, где R - радиус, или расстояние от начала координат, Theta - угол от оси X, и Phi - угол от начала координат в z направлении. Можно построить трехмерный график в зависимости от заданных в проекте переменных.

Рассмотрим общую процедуру для черчения трехмерного полярного графика.

1. В меню HFSS, укажите на Results, и затем нажмите Create Report.

Появляется окно Create Report.

2. В списке Target Design, нажмите проект, содержащий данные решения, которых Вы хотите составить график.

3. В списке Report Type, нажмите тип данных, которого Вы хотите составить график.

4. В списке Display Type, нажмите 3D Polar Plot, и затем нажмите OK.

Появляется диалоговое окно Traces. Закладка Mag выбирается по умолчанию.

5. В закладке Mag, определите информацию, чтобы составить график по Rоси, или оси измерительной величины:

a. В списке Category, нажмите тип информации, чтобы составить график.

b. В списке Quantity, нажмите значение, чтобы составить график.

c. В списке Function, нажмите математическую функцию, чтобы составить график.

6. В закладке Theta, задайте информацию, чтобы составить график по оси тета:

• чтобы составить график зависимости от вторичной переменной (вторая переменная перечисляется в закладке Sweeps) вдоль Theta, выберите Use Secondary Sweep.

• чтобы составить график количества по Theta, очистите опцию Use Secondary Sweep, и затем выберите Category, Quantity, и Function, чтобы составить график. Характеристики будут составлять график против вторичной переменной, указанной в закладке Sweeps.

7. В закладке Phi, определите информацию, чтобы составить график по phiоси:

• чтобы составить график от первичной изменяемой переменной (первая переменная, перечисленная в закладке Sweeps) по phi, выберите Use Primary Sweep.

• чтобы составить график по phi, снимите опцию Use Primary Sweep, и затем нажмите Category, Quantity, и Function, чтобы составить график.

Характеристики будут составлять график по phi относительно первичной переменной, указанной в закладке Sweeps.

8. В закладке Sweeps, задайте значения, чтобы составить график, которую Вы задали на шаге 5, 6, и 7.

9. Щелкните Add Trace.

10. Щелкните Done. Функция выбранной характеристики будет составлять график относительно осей R-, phi-, и Theta- на трехмерной полярной диаграмме.

Диаграмма Смита - двумерный полярный график S-параметров, на которые добавлена сетка нормированного сопротивления. Рассмотрим общую процедуру для создания диаграммы Смита:

1. В меню HFSS укажите на Results, и затем нажмите Create Report.

Появляется окно Create Report.

2. В списке Target Design, нажмите конструкцию, содержащую данные решения, которые Вы хотите вывести на график.

3. В списке Report Type, нажмите тип данных, которого Вы хотите составить график.

4. В списке Display Type, нажмите Smith Chart, и затем нажмите OK.

Появляется диалоговое окно Traces. Закладка Polar выбрана по умолчанию.

5. В закладке Polar, определите информацию, чтобы составить график:

a. В списке Category, нажмите тип информации, чтобы составить график.

b. В списке Quantity, нажмите значение, чтобы составить график.

c. В списке Function, нажмите математическую функцию, чтобы составить график.

6. В закладке Sweeps, определите значения, чтобы составить график от параметра, который Вы задали на шаге 5.

7. Щелкните Add Trace.

Характеристика представляет один или большее количество линий, включая знаки - символы на диаграмме.

9. Произвольно, прибавьте другую характеристику аналогичными выше процедурами.

9. Щелкните Done.

Таблица данных - таблица со строками и столбцами, которая отображает, в числовой форме, выбранные величины относительно перемещенной переменной или других количеств.

1. В меню HFSS укажите на Results, и затем нажмите Create Report.

Появляется окно Create Report.

2. В списке Target Design, нажмите конструкцию, содержащую данные решения, которых Вы хотите вывести на график.

3. В списке Report Type, нажмите тип данных выводимых на график.

4. В списке Display Type, нажмите Data table, и затем нажмите OK.

Появляется диалоговое окно Traces. Закладка Y выбрана по умолчанию.

5. В закладке Y, выберите величину, Вы заинтересованы и его присоединенная функция:

a. В списке Category, нажмите тип информации для отображения на график.

b. В списке Quantity, нажмите значение, чтобы отобразить.

c. В списке Function, нажмите математическую функцию, чтобы использовать для количества.

6. В закладке X, выберите значения, Вы хотите составить график количества против в одном из следующих путей:

• Выберите Use Primary Sweep.

Характеристика, которую Вы выбрали на шаге 5, будет отображена относительно первичной переменой, перечисленной в закладке Sweeps.

• Очистите опцию Use Primary Sweep, и затем выбирают Category, Quantity, и Function, чтобы составить график против количества, которое Вы выбрали на шаге 5. Эта величина будет составлять график относительно первичной изменяемой переменной, перечисленной в закладке Sweeps.

7. В закладке Sweeps подтвердите, или измените переменные, которые будут составлять график.

9. Щелкните Add Trace.

В таблице данных, зависимость характеристика представляет величину характеристики в зависимости от другой величины или от изменяемых значений выбранной переменных. Характеристика добавляется к списку характеристик в диалоговом окне Traces.

9. Если нужно, добавьте еще характеристику.

10. Щелкните Done.

Величина, которую Вы выбрали на шаге 5, будет перечислена при каждом значении переменном, или дополнительной переменной, которую Вы указали. Таблица данных перечислена в узле Results в дереве проекта.

Составление графика во временной области HFSS может вывести графики во временной области. Однако нужно учесть, что эти графики получены с помощью обратного преобразования Фурье по отношению к частотной характеристике во временной области.

Программа не считает временной процесс напрямую, как например в методе FDTD. Для вывода характеристики во временной области:

1. Выполните шаги 1 - 4 для создания графика.

2. В диалоговом окне Traces, в списке Domain, нажмите Time.

3. Щелкните TDR Options. Появляется диалоговое окно TDR Options (рис.

9.20).

4. Выберите тип входного сигнала, Step или Impulse.

5. Введите время нарастания импульса в поле Rise Time.

6. Введите общее время для внесения в график в поле Maximum Plot Time.

Рис. 9.20. Установка опций расчета во временной области 7. В поле Delta Time задайте число временных точек, которые будут на графике (рис. 9.21). По умолчанию оно установлено как число точек в диапазоне частот.

Рис. 9.21. Временной процесс параметра S11 при воздействии на входной 9. По желанию, в разделе TDR Window измените тип окна и его ширину.

10. Щелкните OK.

11. Если нужно составить график импеданса, сделайте следующее:

a. В списке Category, нажмите TDR Impedance.

b. В списке Quantitiy, нажмите TDRZ, чтобы составить график.

c. Величина TDRZ представляет импеданс порта, преобразованное во временную область. Он равен Z 0 * (1_Re (S11) / (1-Re (S11)).

d. В списке Function, нажмите математическую функцию, чтобы составить график.

12. Щелкните Done. Временной процесс появляется в окне представления.

Вы можете изменить информацию на графике, печатая имя величины или переменной, чтобы составить график по оси непосредственно в текстовых полях.

Чтобы удалить одну характеристику из сообщения:

• Выберите характеристику, которую Вы хотите удалить из списка характеристик, и затем нажмите Remove Trace.

Чтобы удалить все характеристики:

• Нажмите Remove All Traces.

Чтобы заменить характеристику другой:

1. В диалоговом окне Traces, задайте характеристику, которую Вы хотите нанести на график.

2. Выберите характеристику, которую Вы хотите удалить из списка.

3. Выберите Replace Trace. Тогда характеристика, которую Вы выбрали, будет удалена и новая характеристика, которую Вы определили, заменит ее в списке характеристик.

Создание график при изменении переменной В HFSS, изменяемая переменная - встроенная переменная, которая обычно имеет больше, чем одно значение. Вы можете составлять график любого расчетного или производного количества относительно одного или большего количества значений изменяемой переменной.

Чтобы задать значения изменяемой переменной (рис. 9.22):

1. В закладке Sweeps в диалоговом окне Traces, выберите одно из следующего:

2. Первая перечисленная переменная - “ первичная переменная (primary sweep)”. Если Вы создаете трехмерный график, вторая перечисленная переменная - “ вторичная изменяемая переменная (secondary sweep )”. Любые дополнительные переменные будут представлены как дополнительные кривые на графике.

Чтобы задать переменную как первичную:

• Нажмите поле Name для первичной переменной, и затем нажмите имя переменной, которую Вы хотите задать как первичную переменную.

Чтобы изменить вторичную изменяемую переменную или любую дополнительную характеристику, выполните аналогичную процедуру.

3. Чтобы изменить значения, которые будут составлять график для переменной:

a. Нажмите переменную в таблице.

Справа будет перечислены все возможные значения для выбранной переменной.

b. Выделите All Values.

В этом случае все значения выбранной переменной будут составлять график.

• Или очистите All Values, и выберите отдельные величины, чтобы составить график относительно выбранных данных.

Рис. 9.22. Установка изменяемого первичного параметра Величина, которая составляет график, зависит от математической функции, которую Вы выбираете из списка Function в диалоговом окне Traces. Доступные, правильные функции будут зависеть от типа величины (реальная или комплексная), которая наносится на график.

Заметим, что все антенные параметры, и максимальные данные дальнего поля, рассчитываемые HFSS – равны его максимуму по выбранному объекту;

если Вы составляете график параметра в диапазоне значений. Параметр будет иметь одно и то же значение в каждой точке на графике.

Можно выбрать следующие функции в списке Function:

Acosh Гиперболический арккосинус Ang Угол комплексного числа, в диапазоне + /- Ang_rad Угол в радианах Asinh Гиперболический арксинус Atanh Гиперболический арктангенс Conjg Сопряженный из комплексного числа cosh dB(x) dBm(x) Возвращается 1, если целая часть числа четная; возвращается eve exp Im Мнимая часть комплексного числа Int Обрезанная целочисленная функция J0 Функция Бесселя первого вида (0 th порядок) J1 Функция Бесселя первого вида (1 порядок C-).

Выбор S-параметра, для составления графика Каждая характеристика включает величину, которая составляет график по оси. Характеристикой может быть значение, которое было рассчитано HFSS типа S11, значение от расчетного выражения, или встроенного переменного значения типа частоты или угла Theta. Чтобы выполнить расчет характеристики по параметру, можно использовать функции, приведенные в следующей таблице:

log log mag nint Возвращает 1 если целая часть числа нечетная; возвращает 0 в odd Преобразование комплексного числа в показательную форму polar Преобразование комплексного числа в показательном виде в rect rem sgn sin sinh sqrt tan tanh Чтобы выбрать S-параметр для нанесения на график:

1. В диалоговом окне Traces, выберите одну из следующих категорий:

2. Выберите величину, чтобы составить график, из списка Quantity.

Выбор параметров поля для вывода на график При составлении графика ближнего или дальнего поля, величиной параметра может быть значение, которое было рассчитано HFSS, типа усиления антенны, в зависимости от выражения, или значения внутренней переменной, частоты или угла Theta.

В общем случае такими параметрами могут быть:

S-параметр S-параметры из S-матрицы.

Y-параметр Параметры матрицы полной проводимости, вычисленные от Z-параметр Параметры матрицы импедансов, вычисленные из Sпараметров и портовых полных сопротивлений.

Гамма Постоянные распространения для коррекции S-параметров.

Z o порта. Характеристические импедансы портов VSWR. Коэффициент стоячей волны по напряжению, расчетный от Variables Встроенные переменные, типа частоты или фазы, или Output Variables Величина, рассчитанная по первоначальному расчету поля Выражения Включает скалярные и векторные величины поля, а также калькулятора производные полученные по величинам поля, которые Чтобы выбрать величины дальнего поля, чтобы составить график:

1. В диалоговом окне Traces, выберите одну из следующих категорий:

2. В зависимости от Category, которую вы выбрали, нужно задать поляризацию электрического поля, выбирая один из следующих типов количеств из списка Quantity:

Variables определяемых пользователем проектных переменных, типа Выходные величины, полученные из первоначального Output Variables выбранная компонента излучаемого электрического поля, Directivity Axial Ratio Поляризационное отношение электрического поля.

Polarization Ratio Рассчитанные HFSS параметры антенны, которые включают Antenna Params нормированная эквивалентная отражающая поверхность, Normalized RCS Radar CrossSection измеряется в квадратных метрах и вычисляется по формуле В зависимости от категории, которую Вы выбрали, вы должны задать поляризацию электрического поля, выбирая одну из следующих величин в списке Quantity:

Составление графика вертикального сечения поля в дальней зоне При составлении графика полей в дальней зоне, вертикальное сечение составляет график при фиксированной phi и изменяемом угле Theta в заданном диапазоне значений. Чтобы получить его:

1. Нажмите закладку Sweeps в диалоговом окне Traces.

2. Нажмите строку phi в таблице. Тогда в таблице перечисляются все возможные значения для переменной phi. Значения – результат диапазона phi, который Вы определили во время установки бесконечной сферы.

3. Очистите опцию All Values.

4. Выберите фиксированное значение угла phi, при котором нужно получить график угломестной ДН. HFSS отобразит значения для вертикального сечения в выбранном сечении области phi решения задачи в диапазоне изменений Theta.

Рис. 9.23 показывает направление вертикального сечения, когда зафиксирован угол :

Рис. 9.23. Величины угла, при которых рассчитываются ближние и Составление графика горизонтальных сечений поля При составлении графика полей в дальней зоне, горизонтальное сечение трехмерной диаграммы направленности рассматривается при фиксировнном угле места и изменении во всем диапазоне азимутального угла (phi).

Чтобы вывести его:

1. Нажмите закладку Sweep в диалоговом окне Traces.

2. Нажмите строку theta в таблице.

Справа перечислены все возможные значения для угла. Это значения угла, которые Вы задали во время установки бесконечной сферы.

3. Очистите опцию All Values.

4. Выберите фиксированное значение, при котором должна образовать график. HFSS отобразит горизонтальное сечение ДН в выбранной области углов в наборе точек phi.

Выбор характеристик ближнего поля, для составления графика При составлении графика характеристик ближнего поля, характеристикой может быть значение, которое было рассчитано HFSS, значение полученное по выражению, или встроенного переменного значения типа частоты или Theta.

Чтобы выбрать характеристику ближнего поля:

1. В диалоговом окне Traces, выберите одну из следующих категорий:

2. Если Вы выбрали категории Near E, определите поляризацию электрического поля, выбирая один из следующих типов величин из списка Quantity:

Variables определяемых пользователем переменных, типа длины Производные количества от первоначального решения поля Output Variables Максимум излучаемого электрического поля в ближней Near E Max Near Field Смешанная величина компонентов электрического поля NearETotal NearEPhi NearETheta NearEX NearEY NearEZ NearELHCP Основная компонента электрического поля с правой круговой NearERHC Поляризационное отношение для антенны с преобладающе NearECircularLHCP Поляризационное отношение для антенны с преобладающе NearECircularRHCP Основная компонента ближнего поля для x-поляризованной NearEL3X.

Основная компонента ближнего поля для y-поляризованной волны NearEL3Y.

Составление графика импортированных данных решения Одновременно с рассчитанными, на график можно вывести измеренные данные. Для этого в проект должен быть включен набор данных Datasets из меню Projects (рис. 9.24).

Рис. 9. 24. Импорт набора данных из файла или ввод его по точкам Чтобы вывести данные на график:

1. В опускающемся списке Solution в диалоговом окне Traces, нажмите импортированные данные, по которым Вы хотите составить график.

2. Если импортированные данные находятся в формате таблицы, нажмите Table Data в списке Category.

3. Далее выведите данные на график в виде обычного сообщения.

Отметим, что возможности постпроцессорной обработки не ограничены приведенными алгоритмами и примерами. Расчет поля в каждой точке моделируемого пространства, наряду с применением функций, переменных проекта и конструкций, а также калькулятора поля, позволяет вывести на графики самые разнообразные характеристики анализируемого устройства и значительно усилить возможности проектирования.

Расчет диаграммы направленности и характеристик 10.1. Общие принципы расчета антенных параметров Для расчета поля излучения, и диаграммы направленности, HFSS вычисляет значения полей на поверхности излучения, окружающей устройство. Далее по найденным полям на поверхности излучения определяется поле в области внешней по отношению к этой поверхности. Это делается на основании теоремы эквивалентности, которая позволяет заменить поля на замкнутой поверхности эквивалентными токами, возбуждающими внешнее пространство. Электрическое поле E (x, y, z) во внешней области, ограниченной замкнутой поверхностью Radiate (рис. 10.1) может быть написано с помощи формулы Грина для свободного пространства:

где • S поверхности границы излучения, • круговая частота, 2f, • µ0 относительная магнитная проницаемость в свободном пространстве, • Htan компонента магнитного поля, тангенциальная поверхности, • Enormal компонента электрического поля, нормальная к поверхности S, • Etan компонента электрического поля, тангенциальная к поверхности S, • G функция Грина в свободном пространстве, заданная выражением где • k0 = µ 0 0 волновое число свободного пространства, - угловая частота, 2f;

• r и r’ представляют точки, в которой рассчитывается поле и точка источника на поверхности.

Рис. 10.1. Задание границы излучения Rad1 антенны, состоящей из отрезка В дальнем поле, где r >> r' (и обычно r >> 0), функция Грина может быть аппроксимирована следующим образом:

Когда функция G в форме (10.3) используется в расчетах дальнего поля, поля имеют сомножитель, зависящий от r:

Эта зависимость от r характерна для сферической Поле в дальней зоне - сферическая TEM волна, электрическое и магнитное поле которой связано уравнением:

где 0 – импеданс свободного пространства, - радиус-вектор распространения волны в дальнем поле.

При вычислении ближних полей, HFSS использует то же выражение, данное уравнением (10.1). При этом задается радиус r, который используется, чтобы вычислить поля на сфере произвольного радиуса от излучаемой структуры (рис. 10.2, слева). Этот параметр может быть полезен в задачах электромагнитной совместимости.

Заметим, что если HFSS вычисляет ближние поля в задаче, содержащей падающую волну, очень важен радиус поверхности, на которой рассчитывается поле. Если радиус мал и поверхность находится внутри области решения, то рассчитываемые поля являются или полными полями или полями рассеяния, в зависимости от выбора. Если радиус больше области анализа, то рассчитываются только поля рассеяния.

Рис. 10.2. Окно задания параметров сферы для расчета ближнего и дальнего HFSS может вычислить такие параметры антенны, как максимальную интенсивность, максимальную направленность, максимальное усиление, и эффективность (КПД) антенны. При анализе ближнего поля, HFSS может также вычислять такие параметры, как максимум полного E-поля и максимум E-поля в направлении осей.

При вычислении ближнего и дальнего полей, в проекте нужно задать по или границу излучения (рис. 10.2) или границу PML.

Итак, когда Вы выбираете команду Radiation/Compute/Near Field, для расчета ближнего поля используется общее выражение (10.1). В этом случае нужно задать радиус r. Если радиус находится вне области решения, то расчет поля проводится только для поля рассеяния. Задание радиуса при расчете поля на расстоянии от излучающей структуры, может быть полезно при решении задач электромагнитной совместимости, т.е при расчете конструкций с несколькими источниками, возбуждающими поля с различными типами волн.

Когда выбирается команда Radiation/Compute/Far Field, то используется приближение дальнего поля, и результат верен только для точек в области дальней зоны излучения.

Когда Вы устанавливаете сферическую поверхность, чтобы анализировать ближнее и дальнее поле, то нужно задать диапазон и шаг изменения и. Они указывают направление, в котором Вы хотите рассчитать поля излучения. Для каждого значения имеется соответствующий диапазон значений для. Это создает сферическую сетку.

Каждая точка сетки указывает направление по линии, которая направлена от центра сферы через точку сетки. Излучаемое поле рассчитывается в этом направлении.

Число точек сетки определяется размером шага для и (рис. 10.3).

Сфера может быть определена в любой системе координат до или после того, как решение было получено.

Рис. 10.3. Сферическая система Рис. 10.4. Диаграмма направленности Когда HFSS рассчитывает поле излучения, требуется по крайней мере два направления, чтобы составить график полей. Поэтому, если размер шага для угла равен нулю, то размер шага для должен быть больше нуля и наоборот.

При установке сферы, углы и должны быть заданы между -180° (deg) и 180° (deg), или эквивалентами в радианах (рад). Если не заданы ни deg, ни rad, HFSS предполагает, что значение будет в градусах.

Дадим рекомендации для определения угла (Phi) в окне Near Field Radiation Sphere Setup или в окне Far Field Radiation Sphere Setup.

Start Точка, где начинается угол больше, чем единица.

Точка, в которой угол заканчивается. Величина Stop должна быть больше, чем Stop величина Start и меньше, чем 360°. Если величина Stop равна величине Start, тогда HFSS полагает, что только рассматривается один угол и величина Step Size игнорируется.

Число градусов или радиан (точки сферической сетки) между сканированиями.

Step Size Например, чтобы разделить диапазон углов от 0° к 180° с шагом 10°, нужно ввести 18. Введение Step Size=0 приводит к тому, чето свипирование выполняется в одной, начальной точке. Если Step Size=0, тогда HFSS полагает, что будет использоваться только один угол.

Следующие дополнительные правила должны быть выполнены при задании Theta:

Start Точка, где начинается вращение Theta. Величина Start должна быть больше, чем Точка, где заканчивается вращение угла Theta. Величина Stop должна быть Stop больше, чем величина Start и меньше, чем 90°. Если величина Stop равна величине Start, HFSS полагает, что будет использоваться только один угол и величина Step Size будет игнорироваться.

Число градусов или радиан (точек на сфере) между шагами изменения угла theta.

Step Size Например, чтобы разделить угол изменения от -60° до 60° на шаги в 10°, вы должны ввести 10deg.

Введение 0 для числа шагов приводит к тому, что анализ выполняется в одной точке Start. Если величина Step Size=0, HFSS полагает только один угол, который будет использоваться.

Чтобы рассчитать поля в дальней зоне, необходимо установить бесконечную сферу, которая окружает объект излучения. Чтобы составить график дальнего поля на сфере, выберите объект Sphere из списка Geometry в диалоговом окне Traces, когда Вы создаете сообщение.

1. Нажмите HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere.

Появляется окно Far Field Radiation Sphere Setup (рис. 10.5).

Рис. 10.5. Задание бесконечно расположенной сферы для расчета дальнего поля 2. В закладке Infinite Sphere, напечатайте имя сферы в текстовом поле Name.

3. Задайте диапазон углов, включенный в сферу:

a. Определите изменения для Phi, в градусах (deg) или радианах (rad), b. Задайте следующие данные для Theta, в градусах (deg) или радианах (rad).

4. Нажмите закладку Coordinate System, и затем задайте направление сферы одним из следующих способов:

• чтобы сориентировать сферу в глобальной системе координат (CS), выберите Use global coordinate system.

• чтобы сориентировать сферу в заданной пользователем системе координат CS, выберите Use local coordinate system, и затем выберите систему координат из списка Choose from existing coordinate systems.

5. Чтобы задать в качестве поверхностей, на которых будут считаться дальние поля, другие, чем назначенная граница излучения или PML, то из можно выбрать в виде списка в закладке Radiation Surface (рис. 10.6), нажимая кнопку Use Custom Radiation Surface.

Рис. 10.6. Выбор списка поверхностей излучения c. Выберите заданный список поверхностей из списка в разделе «Choose from existing fase list». HFSS будет использовать поверхности в списке (рис. 10.7) как поверхности излучения при вычислении полей в дальней зоне. Список не должна включать поверхность, которая находится на объекте PML.

6. Щелкните OK.

Рис. 10.7. Команда задания списка поверхностей Face List Созданная бесконечная сфера появляется в дереве проекта под именем Radiation.

Параметры антенн принято делить на первичные и вторичные. К первичным параметрам относят векторную диаграмму направленности, входное сопротивление, коэффициент полезного действия, предельно пропускаемую мощность. Вторичными параметрами называют такие, которые можно найти через первичные. Это коэффициент направленного действия и коэффициент усиления, ширина луча диаграммы направленности, уровень боковых лепестков, поляризационные параметры антенны.

Векторная комплексная диаграмма направленности по полю F(, ) представляет зависимость амплитуды, фазы и поляризации излучаемого электрического (или магнитного) поля антенны в дальней зоне от угловых координат, при одном и том же расстоянии R от точки наблюдения до начала выбранной сферической системы координат.

Ansoft HFSS вычисляет следующие характеристики антенны:

- Диаграмма направленности, - Направленность (КНД), - Коэффициент эллиптичности (Ке), - Принятая мощность (для приемной антенны), - Эффективность излучения (КПД), - Максимальная интенсивность излучения (для передающей Зависимость плотности потока энергии электромагнитного поля, излучаемого антенной, в дальней зоне от угловых координат, называют диаграммой направленности по мощности (рис. 10.8). Также используются фазовые диаграммы направленности, описывающие зависимость фазы электрического поля антенны в дальней зоне от угловых координат.

Поскольку поле излученной антенной обычно имеет сложную поляризационную структуру, то для ее характеристики применяют амплитудные диаграммы направленности, описывающие зависимость от угловых координат определенных компонент поля, например E или E.

Рис. 10. 8. Угломестная диаграмма направленности антенны Коэффициент направленного действия (КНД) показывает, во сколько раз должна быть увеличена излучаемая мощность при замене направленной антенны гипотетической абсолютно ненаправленной антенной, при условии сохранения плотности потока энергии в наблюдаемой точке дальней зоны.

Обычно коэффициент направленного действия определяют для направления максимума излучения и обозначают как D.

Это – безразмерная величина, равная:

где:

U – интенсивность излучения в ваттах на стерадиан в указанном направлении, Prad - мощность излучения в ваттах.

Заметим, что максимальная направленность Umax, выводимая в окне Antenna Parameters (рис. 10.9) - рассчитывается в направлении максимальной интенсивности излучения. Для антенны без потерь направленность равна усилению. Однако, если антенна - без внутренних потерь, направленность равна ее усилению. Если антенна имеет внутренние потери, то усиление равно произведению направленности на КПД антенны.

Чтобы учесть рассогласование атенны с линией питания, нужно вывести реализуемое усиление, которое учитывает и свойства направленности антенны и степень ее рассогласования.

Интенсивность излучения, U, равна мощности, излучаемой от антенны, деленной на телесный угол, в котором эта мощность распространяется. HFSS рассчитывает интенсивность излучения в направлении максимального излучения Max U. Максимальная интенсивность излучения рассчитывается в ваттах на объемный угол в стерадиан и рассчитывается как где • U (,) интенсивность излучения в ваттах на стерадиан.

• |E| - модуль E-поля.

• 0 - импеданс свободного пространства 376.7 Ом.

• r - расстояние от антенны, в метрах.

При каждом угле наблюдения в дальнем поле векторы электрического и магнитного поля лежат в фиксированной плоскости. Через некоторое время мгновенные векторы перемещаются на этой плоскости. Кривая, вдоль которой движется вектор Е, имеет в общем случае форму эллипса, который получил название эллипса поляризации (рис. 10.10). В этом случае говорят, что волна имеет эллиптическую поляризацию. В частном случае эллипс поляризации становится кругом, и в этом случае волна имеет круговую поляризацию. Эллиптическая и круговая поляризация имеют два различных состояния, левую и правую поляризации, в зависимости от направления вращения вектора электрического поля. Некоторые из этих состояний показываются на рис. 10.10. В каждом случае направление распространения - от экрана.

Рис.10.10. Вращение вектора в случае круговой и эллиптической В частном случае эллипс поляризации вырождается в прямую линию. В этом случае волна линейно поляризована.

Чтобы полностью описать вид поляризации поля, требуется две независимых составляющих. Типичным примером устройства, на котором можно исследовать поляризацию, является волноводный преобразователь линейной в круговую поляризацию (рис. 10.11).

Рис. 10.11. Волноводная конструкция, представляющая собой преобразователь линейной поляризации в круговую поляризацию На входе прямоугольного волновода подается сигнал с вертикальной поляризацией, на выходе круглого волновода – сигнал с круговой поляризацией.

Наиболее полное описание поляризации - это описание в сферической системе координат, в которой электрическое поле представляется в виде компонентов поля по углам Tetha и phi. В этом описании, поле может быть написано как E = (E, E).

Рис. 10.12. Распределение вектора поля Е на апертуре антенны, свидетельствующее, что она имеет круговую поляризацию Артур К. Людвиг написал классическую статью [6] по определению поляризации электромагнитной волны. В частности, широко используется его третье определение (Ludwig-3), которое связывает составляющие поля антенны в дальней зоне. Используя это определение, составляющие поля E = (Ex, Ey), могут быть записаны как:

и - азимутальный угол в сферической системе координат.

Для примера приведем зависимости компонентов поля антенны (рис.

10.13). Этот пример указывает, что антенна имеет круговую поляризацию, зависящую от направления излучения.

Рис. 10.13. Компоненты поля левосторонней и правосторонней поляризации Для антенн, предназначенных для приема или передачи полей с круговой поляризацией, наиболее подходящее описание состоит в терминах составляющих поля с левой (L) и правой (R) круговой поляризацией. В этом случае поле может быть записано как E = (ER, EL) где:

Осевое отношение определяется как отношение большой и малой осей эллипса поляризации. Осевое отношение имеет следующий диапазон значений:

Осевое отношение, равное 1, показывает, что это электрическое поле имеет круговую поляризацию, а осевое отношение, равное бесконечности, означает, что электрическое поле линейно поляризовано.

Поляризационные характеристики электромагнитной волны HFSS вычисляет следующие шесть видов поляризации электромагнитной волны:

Осевое отношение – это отношение между длинной и короткой осью эллипса, который вычерчивает вектор электрического поля, видимый в сечении, когда выполняется анимация векторного графика. В главном пучке ДН, если векторы поля имеют отношение 10:1, оно равняется 10 dB. В направлениях, удаленных от прямого направления, как видно из графика рис.

10.14 мы имеем очень небольшую мощность, и можем получить почти любое осевое отношение.

Рис.10.14. Зависимость коэффициента эллиптичности(Ludwig3/X и Ludwig3/Y) от угла места (соотношение источников возбуждения Ludwig3/X показывает отношение со- поляризованного к кроссполяризованному полю для антенны, которая излучает преобладающе в направлении оси X.

Ludwig3/Y показывает отношение ко-поляризованного к кроссполяризованным полям для антенны, которая излучает преобладающе в направлении оси Y. Эти характеристики можно вывести на трехмерный график, подобный рис. 10.15.

Рис. 10.15. Максимальное осевое отношение в зависимости от угла Это телесный угол, через который проходила бы вся мощность, излучаемая антенной, при условии одинаковой максимальной интенсивности излучения для всех углов в пределах луча. Он измеряется в стерадианах и имеет вид:

где:

A - телесный угол в стерадианах.

Prad - мощность излучения в ваттах.

Umax - максимальная интенсивность излучения в ваттах в стерадиан.

Усиление антенны – это умноженное на 4 отношение интенсивности излучения антенны в данном направлении к полной мощности, поглощенной антенной от передатчика. В Ansoft HFSS под передатчиком понимается поверхность, которая была описана как порт.

Для расчета усиления используется следующее уравнение:

где:

U - интенсивность излучения в ваттах в стерадиан в заданном направлении.

Pacc - мощность, поглощенная антенной, в ваттах.

Характеристику усиления не следует путать с направленностью, хотя они совпадают для антенн без потерь. Усиление связано с направленностью через КПД антенны. Если КПД антенны равен 100%, то они равны. В случае потерь в антенне, ее усиление меньше направленности в КПД раз.

Замечание. Из-за того, что усиление рассчитывается из входного сигнала на порту, порт должен быть определен для расчета этой величины и вывода ее.

Реализуемое усиление антенны - это умноженное на 4 отношение интенсивности излучения антенны в заданном направлении, к общей мощности падающей на порт антенны. Максимальное реализуемое усиление, в свою очередь, равно наибольшему из реализуемых коэффициентов усиления по всем направлениям бесконечной сферы в дальней зоне (рис.

10.16).

Следующее выражение используется для расчета реализуемого усиления в HFSS:

где • U интенсивность излучения в ваттах на стерерадиан в заданном направлении.

• Pincident падающая мощность в ваттах.

Замечание. Пиковая направленность показывается в окне Antenna Parameters, показывающая направленность в направлении максимальной интенсивности излучения, U max.

Поскольку усиление рассчитано от входного сигнала в порте, для расчета этой величины должен быть задан порт, например дискретный LumpPort с его заданным сопротивлением.

Рис. 10.16. Зависимость реализуемого усиления в плоскости (,) Это величина усредненной во времени мощности, излучаемой антенной структурой через границу излучения. Она измеряется в ваттах и рассчитывается как:

где:

Prad – излучаемая мощность в Ваттах S - поверхность излучения E - излучаемое электрическое поле.

H* - вектор, комплексно сопряженный с вектором H излучаемого поля.

Точность вычисленной мощности излучения зависит от точности вычисления E и H. Поэтому в некоторых случаях вычисленная мощность излучения может отклоняться от фактической мощности излучения.

Поскольку мощность излучения рассчитывается по выходному сигналу в порте, в порте должна быть определена эта величина.

Принятая мощность – это усредненная по времени входная мощность антенны (в Ваттах), принятая в один или большее число портов. Для антенн с единственным портом принятая мощность рассчитывается как падающая мощность, уменьшенная с учетом потерь рассогласования в плоскости порта. Этот параметр рассчитывается по сигналу в порте и потерь, свойственных антенной структуре (например, диэлектрик с потерями или конечная проводимость используемых металлов).

В HFSS для обобщенной структуры принятая мощность рассчитывается как:

где Pacc - принятая мощность в Ваттах, A – области входных портов в модели, E – излучаемое электрическое поле, H – поле, сопряженное к E, ds - единичный нормальный вектор на границе порта в 3D модели HFSS.

Для простейшего случая антенны с одним портом без потерь, содержащей одну распространяющуюся моду, это выражение принимает следующий вид:

где:

a - комплексный сигнал возбуждения, заданный в Data/Edit Sources, S11 – элемент обобщенной матрицы рассеяния (без перенормировки), рассчитанной с помощью HFSS.

Замечание. Поскольку принятая мощность рассчитана от входного сигнала в порте, порт должен быть задан с этой величиной мощности.

Падающая мощность (Incident Power) - общая сумма усредненной во времени мощности (в ваттах) падающая на все порты антенной структуры.

Падающая мощность устанавливается в окне Edit Sources (рис. 10.17).

Рис. 10.17. Окно редактирования параметров источников возбуждения единственный тип волны, падающая мощность равна где a – комплексная волна возбуждения (Magnitude), указанная в окне Edit Sources.

КПД антенны – это отношение мощности излучения к входной мощности (или принятой мощности):

Pacс – принятая мощность в Ваттах Заметим, что поскольку входная мощность рассчитывается из входного сигнала в порте, этот порт должен быть определен как порт с падающей мощностью.

Так как КПД антенны рассчитывается по принятой мощности, то для расчета КПД должен быть задан бокс для расчета на нем излучения антенны.

Когда HFSS рассчитывает параметры антенны, рассчитываются также следующие максимальные данные поля:

Когда рассчитываются максимальные величины дальнего поля, расстояние r нормируется, используя E-поле. Таким образом, единицы данных максимального поля даются в вольтах.

В HFSS границы излучения Radiate используются, чтобы моделировать открытые структуры, которые позволяют волнам излучаться бесконечно далеко в пространство. HFSS поглощает волну на границе излучения, как бы отодвигая границу (рис. 10.18) бесконечно далеко от структуры.

На поверхностях границы излучения, используется граничное условие излучения второго порядка:

где • Etan - компонента E-поля, тангенциальная к поверхности.

• k0 - фазовая постоянная свободного пространства.

Рис. 10.18. Задание границы излучения в сложной щелевой антенне Граничное условие излучения второго порядка – это аппроксимация свободного пространства. Точность аппроксимации зависит от расстояния между границей и объектом, от которого исходит излучение.

10.3. Установка направления распространения поля Когда HFSS вычисляет распределение поля возбуждения в порте, направление поля при t = 0 произвольно; поле может всегда направлять в одном из (по крайней мере) двух направлений.

На рис. 10.19 поле основного типа волны при t = 0 может указано так, как на левом, так и на правом рисунке. Любое направление – правильное, если не определено привилегированное направление. Чтобы определить это направление, Вы должны откалибровать порт относительно некоторого опорного направления, задавая интегральную линию.

Рис. 10.19. Вид и возбуждения различных типов волн в сечении В случае прямоугольных волноводов, рассмотрим разницу при подключении конкретного источника. Если верхняя сторона порта выровнена со стороной волновода, несущего сигнал возбуждения, сигнал в порте сфазирован. Но если верхняя сторона порта связана с нижней стороной волновода, принятый сигнал не будет совпадать по фазе с ожидаемым сигналом.

Рекомендуется задать направление возбуждения во всех портах структуры; иначе, фазы результирующих S-параметров могут быть отличаться от ожидаемых.

Выполните калибровку порта, чтобы определить привилегированное направление в каждом порте относительно других портов, имеющих идентичные или подобные сечения. Из-за того, что интегральные линии могут задавать фазу возбуждения и волну, распространяющуюся в волноводе, они игнорируются, когда нужно получить только решение в сечении порта.

Для того, чтобы рассчитать и вывести параметры антенны:

1. Нажмите правой кнопкой на иконку Infinite Sphere в дереве проекта и затем кликните Compute Antenna Parameters в меню.

Появляется диалог Antenna Parameters.

2. В закладке Solutions, выберите решение, для которого вы хотите рассчитать параметры антенны.

3. В закладке Intrinsic Variables, выберите частоту, на которой рассчитываются параметры антенны. Появляется окно Antenna Parameter (рис. 10.20). Если проект включает порты, то рассчитываются следующие параметры антенны (цифры указаны для тестовой антенны):

intensity (Max U) Вт/стер интенсивность Peak realized gain 3.8054 Максимальное Radiation power 0.96858 Вт Излучаемая мощность Accepted power 0.98537 Вт Поглощаемая мощность Отметим, что рассчитанные величины Max U и Peak directivity зависят от установок углов, выбранных для расчета полей излучения. Если эти установки не соответствуют пиковой интенсивности, показанные результаты для этих трех параметров будут не верными.

Рис. 10.20. Окно, в котором выводятся рассчитанные параметры антенны Если проект не включает портов, можно рассчитать следующие параметры антенны:

Maximum intensity (Max U) Максимальная интенсивность Peak directivity Максимальная направленность 4. Нажмите на More, чтобы увидеть параметры максимальных данных дальнего поля (Maximum Far Field):

Замечание. При вычислении максимальных значений дальнего поля, расстояние r выносится как общий множитель за скобки E-поля. Поэтому, максимальные значения поля даются в вольтах (рис. 10.21).

Рис. 10. 21. Направленность антенной решетки в системе координат Phi, HFSS позволяет моделировать регулярную (regular) или произвольную (custom) антенную решетку, и ее параметры для проектов, в которых был проанализирован один элемент антенной решетки. HFSS рассчитывает диаграмму направленности излучения антенной решетки, применяя “ array factor (коэффициент антенной решетки) ” к ДН одного элемента, когда рассчитаны поля в дальней зоне.

Геометрия “ Регулярной однородной антенной решетки ” определяет конечную двумерную антенную решетку одинаково расположенных, возбуждаемых одинаковыми амплитудами элементов. Это - естественные технические требования после анализа единственной ячейки бесконечной Геометрия “ Заказной антенной решетки ” определяет произвольную антенную решетку идентичных элементов, распределенных в трехмерном пространстве с заданными пользователем комплексными коэффициентами возбуждения.

Регулярная антенная решетка – это антенная решетка с двумерной геометрией одинаково расположенных, и возбуждаемых одинаковыми амплитудами антенных элементов (рис. 10.22).

Рис.10.22. Линейная щелевая антенная решетка Для того, чтобы выполнить анализ антенной решетки, на основании заданной геометрии отдельных компонентов:

1. В меню HFSS укажите Radiation, и затем нажмите Antenna Array Setup.

Появляется окно Antenna Array Setup (рис. 10.23).

Рис. 10.23. Задание параметров регулярной антенной решетки 2. В закладке Array Type, выберите Regular Array Setup.

3. Нажмите закладку Regular Array.

4. В окне First Cell Position введите xyz-координаты, где располагается первая антенная ячейка.

5. В разделе Directions, сделайте следующее:

a. Справа от U Vector, введите векторные координаты в поля X, Y, и Z, по которым располагаются ячейки антенны в U-направлении.

b. Справа от V Vector, введите векторные координаты в поля X, Y, и Z, по которым располагаются ячейки антенны в V-направлении.

6. В разделе Distance Between Cells, введите расстояние между ячейками в U-направлении и расстоянии между ячейками в V-направлении в единицах проекта.

7. В разделе Number of Cells, введите число ячеек антенны в U-направлении и число ячеек в V-направлении.

8. В разделе Scan Definition, задайте направление сканирования направления одним из следующих способов:

• Выберите Use Scan Angles, и затем введите сферические координатные углы, в градусах, в системе координат излучения в текстовых полях Theta и Phi.

• Выберите Use Differential Phase Shift, и затем введите разность фаз между смежными элементами, в градусах, в текстовых полях In V direction и In U direction.

9. Щелкните OK.

Для расчета диаграммы направленности в этом случае будет применяться коэффициент антенной решетки, используя информацию, которую Вы задали для расчета поля в дальней зоне.

HFSS рассчитывает ДН антенной решетки, используя “коэффициент антенной решетки” к ДН одного элемента.

Возможен анализ двух типов геометрии антенной решетки:

“ regular uniform array (Регулярная однородная антенная решетка) ” двумерную антенную решетку конечного размера, в которой элементы расположены эквидистантно и возбуждаются одинаковой амплитудой. Это – наиболее распространенные технические требования после анализа одной ячейки бесконечной антенной решетки. В такой антенной решетке может быть выполнено сканирование, т.е. рассчитана диаграмма направленности, печатая углы Use Scan Angles, или задавая разность между рядом стоящими Т.е. направление сканирования может быть задано в терминах сферических координатных углов в системе координат излучения, а также рассчитать диаграмму сканирования в терминах разности фазовых сдвигов между отдельными излучаемыми элементами.

HFSS также дает возможность вычислить диаграммы направленности излучения антенной решетки и параметры антенны для проектов, в который был выполнен анализ одного элемента антенны (рис. 10.24-10.32).

Геометрия “ custom array (произвольная антенная решетка) ” дает еще большую гибкость. Она определяет произвольную антенную решетку идентичных элементов, распределенных в трехмерном пространстве со своими указанными пользователем комплексными нагрузками. Однако надо иметь ввиду, что для связи ближнего поля необходимо антенную решетку строить так, чтобы в ней были связаны по размеру границы Master и Slave.

Заметим, что выражения мощности антенной решетки (уравн. 13) и (уравн. 14) пренебрегают взаимной связью между элементами конечной антенной решетки. Если взаимные эффекты взаимодействия не незначительны или были неявно включены в решение для одного элемента, нормализация (ур. 13) и (ур. 14) усиления и направленности некорректны.

Рис.10.24. Частота 30 ГГц, один Рис. 10.25. ДН одного излучателя, Рис. 10.26. Антенная решетки из двух Рис. 10.27. ДН антенны из двух излучателей излучателей в U направлении (2 на 1) Рис. 10.28. Антенная решетки из 4-х Рис. 10.29. Антенна имеет направленность элементов (2 на 2) Рис. 10.30. Антенная решетки 10 на 10 Рис. 10.31. ДН направленности антенной Рис. 10. 32. Трехмерная диаграмма антенной решетки с числом элементов Зададим однородную (эквидистантную) антенную решетку как антенную решетку с весами единичной амплитуды, т.е. An = 1 для всех n элементов.

Для случая, когда однородная антенная решетка сканирует по направлению, коэффициент антенной решетки (уравн. 2) находится на где • rn и r’ представляет расстояние до точки поля и точки N-го источника на поверхности, соответственно.

Для однородной регулярной решетки с элементами, отстоящими на векторы наведения (lattice vectors) u и v, положение векторов элемента rn может быть записаны, используя двойную индексацию с m = 1, 2,..., Nu и n = 1, 2,...., Nv. Общее число элементов в решетке равно N = NuNv.

Коэффициент решетки (уравнение 6) для решетки Nu x Nv становится равным Фаза сканирования (в 10.31) переписывается в терминах направления сканирования. Альтернативно, для решетки с регулярной структурой, фаза сканирования может быть записана в терминах различных сдвигов фазы между элементами. Результаты установок и результирующие ДН антенных решеток приводятся на рис. 10.33-10.38.

Рис. 10. 33. Установка излучения всех Рис.10. 34. ДН при направленности элементов антенной решетки с излучения антенной решетки Рис.10.35. Задание разности фаз по оси U Рис.10. 36. ДН при сдвиге фаз по оси U для решетки 10 на 10 элементов Рис. 10. 37. Установка разности фаз в Рис. 10. 38. ДН при смещении разности фаз направлении оси V для антенной решетки на 30 град, по оси V 10 на 10 элементов Более естественно, когда отдельные элементы антенной решетки анализируются, используя связанные границы с заданными пользователем фазовым сдвигом между границами master и slave.

Другой, более гибкий тип антенной решетки - это антенная решетка с произвольным расположением в трехмерном пространстве идентичных элементов, с указанными пользователем комплексными нагрузками (очевидно, что связи по ближнему полю по границам Master – Slave в этом случае теряются). Антенная решетка определена в текстовом файле, который включает положения элементов, величины амплитуды, и фазы напряжений источников возбуждений отдельных элементов.

Подробно проектирование антенных решеток будет рассматриваться в главе 15.

Итак, в этой главе были рассмотрены основы расчета и вывода характеристик антенны по рассчитанному дальнему полю. Программа HFSS имеет широкие возможности расчета и вывода трехмерной ДН и ДН во всевозможных сечениях и плоскостях. Рассчитываются и выводятся все необходимые характеристики антенны. Новой возможностью HFSS Ansoft является расчет антенных решеток, расположенных эквидистантно, а также расположенных с произвольным шагом, причем каждый элемент может возбуждаться сигналом с выбранной амплитудой и со своим фазовым сдвигом.

Калькулятор поля выполняет вычисления, используя рассчитанные значения полей. Он вычисляет функции от компонент электромагнитного поля, максимальные и минимальные значения поля, записывает рассчитанные данные в файл и т.д.

Калькулятор поля используется точно так же, как обычный калькулятор.

Система его обозначений подобна научным калькуляторам Hewlett-Packard.

В нем сначала вводится “ First Quantity (первая величина) ”, затем вводится “ Second Quantity (вторая величина) ”, и затем выполняется “Операция”.

Рассчитанное значение заполняет верхний стек top, и удаляет ранее имеющееся его содержание.

В общем случае калькулятор выполняет операции слева направо:

• В левом столбце вводятся величины, • В середине (рис. 11.1) выполняется действие, • В правом столбце задается желательный тип вывода.

Всегда, при работе постпроцессора, например, при построении графика (Plot->Fields) Вы фактически выполняете действия, использующие калькулятор!

Чтобы видеть шаги, которые приводят к построению графика, откройте интерфейс калькулятора и просмотрите содержание стека. Это полезно для того, чтобы создать Ваши собственные выходные данные.

Операции с помощью калькулятора должны быть выполнены с согласованными типами данных. Многие операции приводят к другим типам данных, нежели входные. Например, операция Vector ->Dot - скалярное произведение двух векторов – дает скалярную величину; операция Unit Vec «Normal» генерирует Vector на поверхности Surf.

Некоторые кнопки калькулятора существуют для того, чтобы выбрать тип преобразования данных, например:

• Операция Vec преобразует скаляр Scl к вектору Vec, • Операция Scal выполняет реверсирование, • Cmplx " Real или Cmplx " Imag выбирает компоненту Scl из CSc или CVc, • Cmplx " CmplxR или Cmplx " CmplxI берут компоненты Vec или Scl и выделяют их действительную или мнимую части комплексного значения CVc или CSc, соответственно.

Всегда нужно обращать внимание, с какими данными Вы работаете и действительно ли они совместимы с выполняемой операцией. Например, заметим, что знак интеграла находится в столбце Scalar, подразумевая что интегрировать комплексные числа Вы должны отдельно по реальной и мнимой составляющей.

В меню HFSS, укажите на Fields, и затем кликните Calculator. Или:

нажмите правой кнопкой мыши на Field Overlays в дереве проекта и затем кликните команду Calculator в выплывающем меню. Появляется калькулятор поля (рис. 11.1), первая строка на котором, ниже окна указывает команды стека (рис. 11.2). Это команды управления регистрами калькулятора.

Перезагрузка величины из верхнего регистра в верхний стек, создавая новый регистр. Содержания двух верхних регистров Удаление верхнего регистра из стека.

Прокручивание верхнего регистра к нижнему, перемещая вверх Прокручивание нижнего регистра к верхнему, перемещая друRlDn Обмен данных верхних двух регистров в стеке.

Эта команда отменяет последнюю операцию, которую Вы выполнили над величиной, содержащейся в верхнем регистре.

Последовательное применение команды отмены действует на Рис. 11.2. Кнопки внизу окна калькулятора для управления положением параметров, находящихся в стеке калькулятора Калькулятор составлен из стека регистров, каждый из которых может содержать:

• Величины E или H полей.

• Функционально зависимые или постоянные скаляры и векторы.

• Геометрические элементы: точки, линии, поверхности, или объемы, в которых должно быть рассчитано поле.

Чтобы выполнить расчеты, используя решения поля, Вы должны сначала загрузить их в регистр стека. Когда загрузка выполнена, с ними можно выполнить следующие операции:

• Математические действия типа взятие градиента, векторного произведения, расчета дивергенции и скалярного произведения.

• Интегрирование по линиям, поверхностям, или по частям области решения, или по ранее определенным поверхностям, объемам, и спискам поверхностей, или по линиям, поверхностям, и объемам, которые были заданы при черчении конструкции, используя команды Draw.

• Внесение в расчет точки, линии, поверхности, или объема.

Отметим, что невозможно просто отменить операцию типа загрузки величины поля, константы, функции, или геометрии в калькулятор (рис.

11.3). Используйте кнопки Pop, или Clear, чтобы удалить их из стека калькулятора.

Обращение к калькулятору поля: Select HFSS > Fields > Calculator.

Чтобы создать график поля:

• Выберите поверхность объекта весь объект, или даже несколько объектов.

• Выберите команду HFSS > Field > Plot Field.

Регистры калькулятора сохраняют величины поля, числа, векторы, и конфигурации. Никаких регистров не создается, пока Вы не загружаете данные в калькулятор, поэтому эта часть окна первоначально пустая. Как только объекты загружены в калькулятор, они создают новые регистры.

Каждый регистр помечен его содержанием следующим образом:

При использовании регистров калькулятора, имейте в виду:

• чтобы перемещать или удалять регистры калькулятора, нужно использовать команды стека.

• чтобы сохранить регистр в файле на диске, используйте команду Write.

Следующие команды используются, чтобы загрузить данные в верхний стек калькулятора:

Базовая величина поля E и H, и простые производные Geometry Геометрии типа плоскостей, точек, ломаных линий, и Constant Константы типа, е, с, и коэффициенты преобразования между различными единицами измерения.

Постоянные вектора и скаляра, включая комплексные Function Ранее сохраненные регистры калькулятора, содержащие векторные и скалярные математические функции.

Эти величины можно преобразовать, используя команды Stack, General, Scalar и Vector. Результаты этих расчета могут затем быть проверены, используя команды Output.

Рис. 11. 3. Операции, выполняемые калькулятором поля Эта команда в столбце Input загружает значения поля в верхний регистр калькулятора. В калькуляторе используются максимальные значения переменных во времени полей, то есть их амплитудные значения (peak phasors). Команда Poynting рассчитывает усредненное за период СВЧ колебания значение вектора Пойнтинга.

AverageSAR • E: комплексный вектор E поля в любой точке моделируемой структуры • H: комплексный вектор H поля в моделируемой структурые • Poynting: усредненный по времени вектор Пойнтинга, вычисленный как (E H*) • Jvol: объемная плотность тока, • Jsurf: поверхностная плотность тока. В отличие от других величин Jsurf может быть выведена только на поверхности объекта.

Отметим, что, говоря о токах, также имеются ввиду их амплитудные значения.

Команда Geometry загружает геометрию в верхний регистр калькулятора.

Она предназначена для:

• Нахождения величины рассчитанного поля в какой либо точке, линии, поверхности или объеме.

• Графического вывода рассчитанного таким образом параметра.

• Для визуализации на ранее определенной поверхности линий уровня, точек максимума и минимума поля (изоповерхности), используя команду Draw.

Имеются следующие команды Geometry:

Чтобы загрузить геометрию в калькулятор:

1. В калькуляторе поля, кликните Geometry. Появляется диалог Geometry (рис. 11.4).

Рис.11. 4. Выделение параметров поверхности 2. Выберите тип геометрии. Появляется список всех геометрий.

3. Кликните выбранную геометрию и нажмите OK для ее загрузки.

Командой Constant загружается одна из ранее определенных констант в верхний регистр калькулятора:

Диэлектрическая постоянная свободного пространства, Epsi Магнитная проницаемость свободного пространства, Mu Команда Number вводит одну из следующих величин в верхний регистр калькулятора (рис. 11.5):

Чтобы ввести скалярную константу:

Scalar 1. Нажмите Number. Появляется диалог Input Number.

3. Напечатайте скалярную величину в окне Value.

4. Кликните OK, чтобы загрузить число в верхний регистр.

Vector 1. Кликните Number. Появляется бокс Input Number.

3. Введите x-, y-, и z-компоненты вектора.

4. Кликните OK для загрузки вектора в верхний регистр.

Complex Комплексное число. Комплексное число вводится в форме C=A+jB, где A представляет реальную часть, а B мнимую.

1. Кликните Number. Появляется диалог Input Number.

2. Выберите Scalar или Vector.

3. Выберите Complex.

4. Введите реальную и мнимую компоненту числа.

5. Кликните OK для загрузки числа в верхний регистр.

Рис. 11.5. Ввод комплексного числа Рис. 11. 6. Описание функции Любые функции (рис. 11.6) вы можете использовать для определения заранее заданных операций.

11.6. Математические функции и операции калькулятора преобразования, которые можно совершать с помощью калькулятора.

Следующие команды используются как операторы действий между векторными и скалярными величинами.

Добавление величин в верхние два регистра калькулятора.

+ (Add) Вычитание величины в верхнем регистре из величины во втором регистре.

Два регистратора должны иметь тот же самый тип величин (оба скаляры (Subtract) или оба векторы). Вы не можете вычитать скаляр из вектора (или наоборот).

Умножение величины в верхнем регистре на величину во втором регистре.

Один из двух регистров должен содержать скалярную величину; другой (Multiply) Деление величины во втором регистре на величину в верхнем регистре.

/ (Divide) Второй регистр должен содержать скалярную величину; верхний регистр Изменение знака величины в верхнем регистре.

Neg Scalar 1. Кликните Function. Появляется диалог Function.

4. Кликните OK для загрузки скалярной функции в верхний регистр.

Векторная функция, в которой величины компонент вектора x-, y-, и zVector 1. Кликните Function. Появляется диалог Function.

4. Для каждой компоненты вектора, кликните SetX, SetY, и SetZ.

5. Кликните OK для загрузки векторной функции в верхний регистр.

Переменные, имена которых заранее определенны: X, Y, Z, RHO, THETA, R, и PHI, а также другие функции, которые вы создали ранее, могут быть использованы для задания новых векторов и скаляров.

Взятие абсолютной величины характеристики в верхнем регистре.

Сглаживание функции в верхнем регистре. В силу используемой методики численного решения, значения поля не всегда непрерывны на границах элементов разбиения пространства. Сглаживание делает функции, описывающие поля непрерывными.

Эта группа команд, запускающих операторы, применяемые к комплексным величинам, находящимся в верхнем регистре. Комплексные величины идентифицируются символом C в начале метки регистра. Они могут быть представлены в виде реальной и мнимой частей, или в виде модуля и фазы.

Команда Complex позволяет выполнить следующие операции:

CmplxPhase Взятие фазы комплексного числа ().

По этой команде задается объем, который ограничивает расчеты. Эта операция требует ввода двух чисел в верхний стек, описывающих геометрию объема и численное значение поля.

Чтобы сделать это:

1. Загрузите величину поля в верхний регистр, и добавьте нужные функции над ней.

2. Выберите объем, используя команду Geometry.

3. Щелкните Domain.

Команда Domain используется, чтобы ограничить вычисление или графики, создавая поверхности сечения объекта или группы объектов.

Эта команда используется, чтобы выполнить действия на скалярных величинах.

Используется, чтобы перевести скаляр в верхнем регистре в вектор.

Компонентами могут быть:

Выполняет инверсию скалярной величины в верхнем регистре.

Возведение скалярного числа в степень, которую Вы задаете.

Чтобы ввести в степень скалярную величину:

1. Введите эту величину в калькулятор.

2. Введите показатель степени.

3. Кликните Pow.

Эти результаты показываются в верхнем регистре.

Взятие корня квадратного величины в верхнем регистре.

Берет одно из следующих тригонометрических значений значения в верхнем регистре стека калькулятора:

Берет частную производную величины находящейся в верхнем стеке регистра:

По этой команде рассчитывается скалярный интеграл по объему, поверхности, или линии. Верхний регистр должен содержать геометрию, и второй регистр должен содержать скаляр, который будет интегрирован.

Чтобы выполнить интегрирование:

1. Загрузите характеристику в верхний регистр калькулятора, и выполните любые требуемые действия в нем.

2. Используйте одну из команд Geometry, чтобы загрузить линию, поверхность, или объем, по которому величина должна быть интегрирована.

3. Выберите команду для интегрирования величины скаляра по заданной геометрии. Чтобы найти численные результаты интегрирования, используйте команду Eval.

Эта команда используется для создания изоповерхности — трехмерной поверхности, на которой величина скалярного поля будет равна постоянной величине. Как только она создана, изоповерхность может быть использована для нанесения графика и расчета подобно другой поверхности.

Чтобы создать изоповерхность:

1. Загрузите величину поля в верхний регистр калькулятора, и задайте какие либо операторы над загруженным полем. Результатом расчетов должна быть скалярная величина.

2. Загрузите константу, определяющую значение вышеуказанной скалярной величины на изоповерхности в верхний регистр, используя команду Number.

3. Кликните Iso.

По этой команде рассчитывается минимальное значение скалярного поля на линии, поверхности, или в объеме. Команда позволяет рассчитать следующие два параметра:

Точку, в которой достигается минимальное значение Эти команды работают так же, как команда Max. Используйте команду Eval, чтобы отобразить минимальное значение поля или координаты точки, где оно достигается.

Заметим, что если Вы вычислили тангенциальную или нормальную компоненту величины, которая будет интегрироваться, Вы не должны загружать геометрию в стек калькулятора. HFSS интегрирует тангенциальную или нормальную компоненту характеристики по линии, на которой она вычислена, или по поверхности на которой вычислена нормальная компонента.

После этого можно:

• Составить график минимального значения поля в точке, используя команду Plot.

• Составить график основных величин поля в точке.

• Загрузить значение точки в калькулятор.

• Изменить расположение точки.

Вычисляет максимальное значение скалярного поля на линии, поверхности, или в объеме. Чтобы вычислить это максимальное значение:

1. Загрузите величину поля в калькулятор, и выполните любые необходимые действия на этом. Учтите следующее:

• Вы не можете получить максимальное значение модуля вектора. Поэтому, удостоверитесь, что результат - скаляр.

• Перед вычислением максимального модуля комплексной величины, Вы должны найти вещественную часть величины, используя команды Cmplx/AtPhase или Cmplx/Real.

2. Загрузите точку, линию, или объем в калькулятор, используя одну из команд Geometry.

3. Сделайте одно из следующего:

• Выберите Max/Value вычислить максимальное значение поле в геометрии.

• Выберите Max/Position, чтобы идентифицировать точку, в котором это значение получается.

Используйте команду Eval, чтобы отобразить фактическое максимальное значение поля или координаты точки, где это имеет место.

Получает градиент скалярной величины в верхнем регистре.

Используйте эту команду для представления расчета величин вектора.

Заменяет вектор в верхнем регистре скаляром, значение которого компонента вектора. Выберите этот вектор из следующих данных:

Находит модуль максимальной величины поля.

Нахождение точки, где имеет место максимальное значение • Составить график максимального поля в точке, используя По этой команде величина векторного поля в верхнем регистре умножается или делится на параметры материалов. При этом можно учесть параметры материалов разных частей структуры.

Чтобы умножить или разделить вектор на параметр материала:

1. Щелкните Matl. Появляется окно Material Operation (рис. 11.7).

2. Выберите свойство материала. Доступные свойства:

Относительная диэлектрическая проницаемость, r.

Permittivity (epsi) Относительная магнитная проницаемость, µr Permeability (mu) Conductivity Omega () 3. Выберите операцию — Multiply or Divide.

4. Выберите OK, чтобы умножить или разделить величину поля на параметр материала, или операцию Cancel, чтобы не выполнять это.

Вычисляет модуль вектора в верхнем регистре.

Вычисляет скалярное произведение векторов, находящихся в двух верхних регистрах.

Берет векторное произведение векторов в верхних двух регистрах.

Берет дивергенцию вектора в верхнем регистре.

Вычисляет ротор векторной величины в верхнем регистре.

Вычисляет тангенциальную составляющую вектора по линии.

Для этого:

1. Загрузите векторную величину в верхний регистр.

2. Загрузите линию в верхний регистр, используя команду Geometry/Line.

3. Кликните Tangent.

Рассчитывает нормальную составляющую вектора к поверхности.

Чтобы получить нормальную составляющую вектора:

1. Загрузите величину вектора в верхний регистр.

2. Загрузите поверхность в верхний регистр, используя команду Geometry/Surface.

3. Кликните Normal.

Рассчитывает нормальную и тангенциальную составляющую векторов.

Эта команда используется для вывода данных.

Эта команда вычисляет значение величины поля в окрестностях точки.

Используйте эту команду, чтобы найти:

• величину скалярного поля в этой точке.

• x-, y-, и z-компоненты векторного поля в этой точке.

Чтобы найти значение поля в окрестностях точки:

1. Загрузите величину поля в верхний регистр, и выполните любые необходимые операции с ним.

2. Загрузите соответствующую точку в калькулятор, используя команду Geometry/Point.

3. Нажмите Value.

Чтобы рассмотреть численные результаты этой операции, используйте команду Eval.

11.7. Типы данных выводимых из калькулятора поля Различные выводы данных могут быть сгенерированы в зависимости от выбранной кнопки столбца Output и содержания стека:

• Draw. Обеспечивает графический вывод геометрии в постпроцессоре • Plot. Генерирует графический вывод поля (скаляр или вектор) в зависимости от содержания стека • Anim. Генерирует мультипликацию картины поля во времени в соответствии с фазой поля в каждой точке пространства.

• 2D Plot.Создает график в прямоугольном (XY) графическом формате • Value. Используется для вывода значений поля, находящегося в стеке в анализируемой структуре.

• Eval. Переводит текст метки - заполнителя стека в численный вид • Операции Write и Export предназначены для экспорта данных выходного стека и для создания выходного файла данных с целью использовании их вне калькулятора или текущего проекта.

Эта команда рассчитывает и отображает результаты действий калькулятора типа интегрирования, расчета максимального или минимального поля, значения поля в точках, и т.д. Характеристика, которая будет рассчитана, будет находиться в верхнем регистре. Команда Eval дает численные результаты, которые заменяют содержание регистра.

Например, чтобы найти ток внутри контура, Вы должны численно рассчитать интеграл для этого контура I = H • dl.

Поскольку H и I - комплексные величины, Вы должны использовать реальную часть H, чтобы получить реальную часть I, затем использовать Чтобы сделать это:

1. Загрузите H в калькулятор, используя команду Qty.

2. Возьмите реальную часть H, используя команды Cmplx/Real.

3. Загрузите прямоугольный контур, используя команду Geom/Line.

Создайте контур в виде замкнутой линии интегрирования.

4. Нажмите Tangent, чтобы получить зависимость компоненты H по линии.

Вычисляет тангенс единичного вектора к линии в верхнем Tangent регистре стека калькулятора.

Вычисляет единичный вектор, перпендикулярный к поверхности Normal в верхнем регистре стека калькулятора.

5. Возьмите интеграл вокруг контура, используя команду Eval.

6. Кликните Eval для расчета интеграла. Реальная часть I появляется в верхнем регистре.

7. Повторите эту процедуру, используя мнимую часть H (найденную командой Cmplx/Imag) чтобы получить мнимую часть I.

Эта команда сохраняет содержание верхнего регистра в файле на диске.

Используйте эту команду:

• для сохранения значений в регистрах для использования во время постобработки.

• для сохранения величин поля при использовании в постобработке другой модели.

Чтобы сохранить содержание регистра:

1. Щелкните Write.

2. Используйте браузер, чтобы задать имя файла и путь. Автоматически принимается расширение.reg.

3. Щелкните OK. Содержание файла сохраняется в файле, который Вы задали.

Эта команда экспортирует величину поля в верхнем регистре в файл данных (рис. 11.8). Она используется, чтобы сохранить поля в формате, который может читаться другой программой для последующей обработки.

Имеются два способа экспорта поля:

Экспортирует массив значений поля в узловых точках To File определенной ранее сетки. Перед использованием этой команды, Вы должны создать файл, содержащий эти точки.

Экспортирует массив значений поля в узлах прямоугольной сетки, On Grid которая определяется шагами в x, y, и z направлениях и размерами области, в которой вычислено выводимое поле (задаются По этой команде выполняется запись величин в верхнем регистре в выбранной сетке точек. Чтобы экспортировать эти величины поля в выбранной сетке:

1. Создайте файл, содержащий точки, в которых надо зафиксировать данные.

2. Загрузите поле или иную величину в верхний регистр, и выполните с ней любые действия.

3. Щелкните Export/To File.

4. В текстовом поле Points File Name, напечатайте имя файла, содержащего точки, в которых должно быть отображено поле.

Далее напечатайте имя файла данных, в который надо записать значения поля, и нажмите на значок файла. Используйте браузер, чтобы найти файл с координатами узловых точек сетки (с расширением.pts).

5. Напечатайте имя файла в текстовом поле Output File Name, в котором поле должно быть сохранено. Вы можете использовать значок файла, чтобы ввести имя файла. Используйте браузер, чтобы задать имя файла и его путь.

Расширение.reg автоматически назначается для этого файла.

6. Нажмите OK, чтобы сохранить файл или Cancel, чтобы отменить действие.

Пример использования калькулятора поля: Рассеяние в пространстве антенной решетки.

HFSS, совместно с калькулятором поля, способен рассчитать характеристики падающей волны в задаче рассеяния поля антенной решетки (рис. 11.9).

• Нормальное падение может быть вычислено, используя метод волноводного моделирования, с портовыми возбуждениями • Смещенное от нормали падение волны, однако, требует последующей обработки полей для выделения данных решения, возбужденного плоской волной • Проект включает антенные колпаки и фильтры антенного колпака, и выполняет анализ диаграммы направленности и сечений ДН • Этот пример иллюстрирует методы вычисления, необходимые получить величину отраженного поля от диэлектрической поверхности.

Рис. 11.9. Геометрия антенной решетки, составленной из отдельных Элементарная ячейка излучателя имеет размер 2x2 мм, расположенная на 'бесконечном' слое диэлектрика, r = 11.8, толщиной 2 мм. Падающая волна будет изменяться от нормали до угла падения в 60°, с TM поляризацией.

• Фазовые соотношения связанных граничных условий должны измениться с изменением угла падения. Для этого используется параметрический анализ, чтобы выполнить серию расчетов с различными углами падения.

Высота воздушного пространства на каждой стороне диэлектрика должна быть выбрана с учетом необходимых плоскостей для калькулятора поля!

• Плоскости сечения для интегрирования величин (или фаза) не могут пересекать диэлектрик непосредственно, и также не должны быть слишком близкими к реактивному ближнему полю • Минимальная высота, чтобы сблизить 60° угловую плоскость равна 2*tan (60°), или 3.46 мм, плюс разнос l/10= 1.2 мм, и равно 4.66 мм. Используем воздушное пространство 5 мм.

Верхняя и нижняя граница слоев PML, толщиной 1.2 мм, а также ее параметры, определенные с помощью автоматической установки параметров “PML_setup”.

Для угла распространения волны угла падения (0, ), где =0 … 60°, фазовое соотношение Master/Slave установлено равным (180, ) чтобы соответствовать зеркальному углу.

Внешние торцы PML замкнуты поверхностью Perfect_H.

Используя Оптиметрик, можно изменить угол падения, для чего вводится одна переменная «thetaang», которая будет управлять изменяемым углом падающей волны.

Та же самая переменная используется в задании фазовой разности между границами master/slave.

Операция 'Write' разрешает экспортирование вычисленных значений в виде данных Оптиметрика.

Рис. 11.10. Наклонение угла сканирования антенной решетки Плоскости сечения легко генерируются из меню Geometry (рис. 11.10).

Кнопки в виде ромбиков позволяют вращение нормали относительно X, Y, или Z оси приращением по 10°. Плоскости сечения должны быть расположены по нормали и к направлению падающего и рассеянного луча.

Калькулятор будет использоваться, чтобы рассчитать две величины • Величина падающей волны, Pinc, рассчитывается используя падающее поле (Incident).

• Отраженная величина, Pref, рассчитывается, используя решение для рассеянного поля (Scattered).

S - поверхность, используемая для каждого вычисления.

Эти величины будут затем использоваться, чтобы вычислить коэффициент отражения с помощью Оптиметрика Так как калькулятор поля уже дает среднеквадратическое значение вектора Пойнтинга, мы можем выбрать эту величину непосредственно и интегрировать ее по желательной поверхности, а не вычислять ее непосредственно.

Заметим, однако, что, если мы были заинтересованы коэффициентом отражения на данной поляризации (от некоторой поверхности, которая могла бы сообщать движение поляризационному изменению относительно падающей волны) мы будет должна вручную вычислить вектор Пойнтинга, используя только E и H составляющие поля, представляющие интерес для отраженного случая.

Параметрический анализ, оптимизация, анализ чувствительности и статистический анализ Программа Оптиметрик дает возможность оптимизировать конструкцию, используя изменение параметров модели. Для решения такой задачи, создается исходная модель - номинальный проект, и затем задаются изменяемые параметры, которым может быть почти любой размер или параметр проекта, имеющий числовое значение.

Например, Вы можете параметризовать размеры, свойства материала, или граничные условия волноводного трансформатора (рис. 12.1). После анализа можно вывести любые характеристики в виде графика.

Рис. 12.1. Оптимизируемый волноводный трансформатор и диалог измерения размеров (команда 3D_Modeler-> Measure-> Length) После введения параметров можно выполнить следующие исследования номинального проекта (рис. 12.2):

Parametric В этом режиме изменяются одна или большее количество переменных; каждая переменная изменяется в своих пределах. В результате Вы можете сравнивать результаты, чтобы определить, как каждое изменение параметра конструкции влияет на характеристики проекта. Параметрическая оптимизация часто становится первым шагом к оптимизации, потому что она помогает определить разумный диапазон переменных значений для оптимизации.

При задании процесса оптимизации задается цель оптимизации в виде Optimizati целевой функции. Оптиметрик изменяет значения параметров, чтобы достичь эту цель. Целевая функция может быть любой характеристикой, которую HFSS может вычислять, например значения поля, любой из S-параметров, и данные о собственных В этом режиме Оптиметрик исследует характеристики вблизи Sensitivity расчетной точки, чтобы определить чувствительность проекта к малому изменению переменных или геометрических размеров.

Переменные значения изменяются в интерактивном режиме и Tuning проверяется изменение характеристик проекта.

Оптиметрик определяет статистическое распределение характеристик Statistical проекта, при учете статистического распределения переменных.

Рис 12.2. Добавление режимов Оптиметрика к анализу проекта 12.1. Установки для выполнения параметрического анализа Параметрическая установка заключается во введении одного или большего количества переменных, изменяемых в пределах заданного диапазона. В одном проекте можно задать несколько заданий на параметрический анализ.

Выполнение параметрического анализа дает возможность моделировать несколько вариаций конструкции, используя одну начальную модель. Вы задаете ряд переменных, изменяющихся в своих диапазонах. HFSS получает решение для каждого значения переменных. После этого можно сравнить результаты, чтобы определить, как каждое изменение конструкции влияет на ее характеристики.

В проекте можно изменять параметры материалов, размеры, параметры граничных условий, например дискретных элементов L, C, R, источники возбуждения. Число вариаций, которые задаются при установке изменений параметров, ограничено только вычислительными ресурсами компьютера.

Чтобы выполнять параметрический анализ, сначала создается номинальная конструкция. Номинальная конструкция создается подобно любой другой конструкции, за исключением того, что на те размеры, или параметры модели, которые Вы хотите изменить, назначаются переменные.

Все переменные должны быть определены прежде, чем Вы запускаете параметрический анализ. Хотя не требуется анализировать номинальную конструкцию перед выполнением параметрического анализа, однако это рекомендуется сделать, чтобы проверить модель.

Выполнение параметрического анализа часто используется перед оптимизацией, потому что это дает возможность определить разумный диапазон изменения переменных для оптимизации.

Чтобы добавить параметрическую установку к проекту:

1. В меню HFSS укажите Optimetrics Analysis, и затем нажмите Add Parametric (рис. 12.2). Альтернативно, щелкните правой кнопкой мыши Optimetrics в дереве проекта и затем нажмите Add>Parametric в меню.

Появляется окно Setup Sweep Analysis (рис. 12.3).

2. Добавьте изменяемый параметр, нажимая на кнопку Add...

Рис. 12.3. Диалоговое окно установки параметрической оптимизации Появляется окно Add/Edit Sweep. Все переменные, которые введены в данную конструкцию, находятся в опускающемся списке Variable.

3. Выберите переменную, которую Вы будете изменять, в списке Variable.