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

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство науки и образования Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ижевский государственный технический университет»

Моделирование антенн и элементов тракта

Учебно-методическое пособие для выполнения курсовых и самостоятельных

работ по учебным курсам «Устройства СВЧ и антенны» и «Антенно-

фидерные устройства».

ÓÍÈÂÅÐÑÈÒÅÒ

ÛÉ ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÉ

Ижевск

ИжГТУ

2009

УДК 621

М65

Рецензент: канд. техн. наук, доц. М. Ю. Ивонин

Рекомендовано к изданию на заседании кафедры «Радиотехника»

04.12.2008 г., протокол № 128

М65 Моделирование антенн и элементов тракта: Учебно-

методическое пособие для выполнения курсовых и

самостоятельных работ по учебным курсам «Устройства СВЧ и

антенны» и «Антенно-фидерные устройства». / Под ред.

Шишакова К. В. – Ижевск : ИжГТУ, 2009. – 127 с.

В пособии использованы материалы из дипломных работ студентов

ИжГТУ: Валиева Р.З. (п.12,13,14), Коробейникова Р.В. (п.1,2,4,7,8), Жилина

И.В. (п.5,11), Москвина И.Г. (п.9,10,11), Горева В.А (п.3,5,6).

технический университет, 2009

Содержание

Часть 1. Исследование электромагнитных процессов в

антеннах с помощью компьютерного моделирования.

1. Краткие сведения о программах моделирования антенн и элементов

тракта: MMANA, Microwave Office, Microwave Studio, HFSS. 4

2. Моделирование простых антенн в п/п MMANA. 25

3. Исследование характеристик направленности симметричного

электрического вибратора в п/п MMANA. 31

4. Моделирование рупорных антенн в п/п Microwave Studio. 36

5. Исследование характеристик направленности

рупорной антенны в п/п HFSS. 47

6. Исследование характеристик направленности зеркальной

параболической антенны в п/п Microwave Studio. 57

7. Моделирование микрополосковых антенн

в п/п Microwave Office (модуль ЕМSight) 64

8. Моделирование антенных решеток в п/п Microwave Studio 74

Часть 2. Исследование электромагнитных процессов в

элементах тракта с помощью компьютерного моделирования.

9. Моделирование прямоугольного волновода в п/п HFSS 85

10. Моделирование волноводно-коаксиального перехода

в п/п MicroWave Studio 89

11. Моделирование микрополоскового бинарного

делителя мощности в п/п HFSS 95

12. Моделирование и исследование фильтра низких частот

в п/п Microwave Office (модуль Voltaire LS) 98

13. Моделирование и исследование полосового фильтра

в п/п Microwave Office (модуль ЕМSight) 108

14. Моделирование и исследование малошумящего

усилителя в п/п Microwave Office (модуль Voltaire XL) 121

Список литературы 127

Часть 1. Исследование электромагнитных

процессов в антеннах с помощью

компьютерного моделирования.

1. Краткие сведения о программах моделирования

антенн и элементов тракта:

MMANA, Microwave Office, Microwave Studio, HFSS

Краткий обзор пакетов прикладных программ, используемых для

проектирования устройств СВЧ.

Пакет RF-CHART был разработан как базовый пакет для графического

проектирования СВЧ схем с помощью диаграммы Смита. Он был разработан

для PC и работает под Microsoft Windows. Программа предоставляет

инженеру СВЧ возможность проектирования цепей СВЧ, включая сложные

многокаскадные схемы, вроде многокаскадного широкополосного

усилителя.

Touchstone/DOS — это инженерная программа автоматизированного

проектирования, предназначенная для моделирования сложных линейных ВЧ

и СВЧ цепей. Дает высокую точность и эффективность при расчете таких

высокочастотных схем, как транзисторные усилители, смесители, фильтры,

переключатели и генераторы. Touchstone/DOS можно использовать для

выполнения линейного анализа, оптимизации и статистического анализа

методом Монте-Карло. Рабочие частоты простираются от видео до

миллиметрового диапазона.

Libra - это программа, расширяющая возможности Touchstone и

позволяющая рассчитывать нелинейные характеристики СВЧ схем. В основе

расчета нелинейных характеристик, используется метод гармонического

баланса.

Для внедрения в учебный процесс перспективной является программа

MMICAD, поскольку она в рамках одного интерфейса позволяет провести

сквозной цикл проектирования интегральных схем СВЧ.

Программа Sonnet является программой EDA основанной на

применении электромагнитного (EM) анализа. Набор программ Sonnet EM

нацелен на решение сложных современных задач проектирования,

преимущественно планарных (3D планарных) устройств и антенн.

Преимущественно планарные цепи включают микрополосковые линии,

полосковые, компланарные волноводы, PCB (с одним и многократными

слоями) и аналогичные структуры с перемычками, вертикальными

металлическими листами (z - направленные полосы) и любым числом

металлических слоев, внедренных в расслоенном диэлектрическом

материале. Электромагнитный анализ принимает, что цепи находятся в

шестистороннем металлическом боксе (корпусе), чтобы моделировать

истинный металлический корпус, и точно включает эффекты резонансов

модуля.

Программа трехмерного электромагнитного моделирования для

проектирования СВЧ структур HFSS (High Frequency Structure Simulator) –

это мощный пакет программ, который вычисляет многомодовые S-параметры

и электромагнитные поля для трехмерной пассивной структуры

произвольной формы. Она имеет мощную программу расчета

электромагнитного поля, адаптивную к требуемой точности решения, и

мощный постпроцессор для представления электромагнитных характеристик.

Эта программа устраняет традиционное макетирование методом “Cut-and-try”

(проб и ошибок), ускоряя и улучшая качество проектирования.

IE3D - моделирование и расчет конструкций на электродинамическом

уровне для выполнения точного анализа и проектирования сложных

печатных схем RF, антенн, высокоскоростных цифровых схем и других

радиоприборов в диапазоне СВЧ. Электродинамический расчет предполагает

применение электродинамических методов расчета, в отличие от методов

теории цепей. IE3D - интегральный электромагнитный моделятор и пакет

оптимизации для анализа и проектирования 3-мерных микрополосковых

антенн и печатных схем высокой частоты и цифровых схем, интегральных

микросхем миллиметрового диапазона (MMICs) и высокоскоростных

печатных плат (PC типа электромагнитной волны длиной от дециметров до

миллиметров). Основная операция IE3D - составление и решение

интегрального уравнения, полученного с помощью функций Грина.

MAFIA 4 – позволяет моделировать практически любые системы, где

присутствуют эффекты, связанные с излучением, распространением и

поглощением электромагнитных полей. Программа решает задачи анализа

планарных и волноводных частотно-избирательных структур, моделирования

различных типов антенн и другие. Рекомендуемые аппаратные платформы –

высокопроизводительные рабочие станции.

CST Microwave Studio - Представляет собой быструю и точную

программу моделирования сложных объемных СВЧ устройств, таких как

антенны, волноводы и др. Она позволяет моделировать: волноводные и

микрополосковые направленные ответвители мощности, делители и

сумматоры мощности, волноводные, микрополосковые и диэлектрические

фильтры, различные линии передачи, коаксиальные и многовыводные

соединители, оптические волноводы и коммутаторы, различные типы антенн

– рупорные, спиральные, планарные и другие задачи.

Программный пакет Microwave Office (MWO) позволяет моделировать

как линейные, так и нелинейные цепи, проектировать микрополосковые

объемные конструкции. Microwave Office включает в себя два модуля:

Voltaire XL - пакет моделирования линейных и нелинейных схем.

EMSight - система трехмерного электромагнитного моделирования.

Первым продуктом компании была система трехмерного

электромагнитного моделирования EMSight, затем была разработана

программа нелинейного анализа VoltaireXL и его линейная версия

VoltaireLS.

Voltaire XL использует следующие методы:

- одночастотный и многочастотный метод гармонического баланса для

анализа нелинейных схем;

- ряды Вольтерра (статические и параметрические);

- анализ смесителей (также называемый конверсионно-матричным

анализом);

- высокоскоростной метод линейного анализа;

- высокоскоростной метод шумового анализа;

- интегрированную систему ввода схем со встроенной поддержкой

файлов описания систем Spice и MMICAD.

EMSight v.2.0 - Пакет полного электромагнитного моделирования СВЧ

систем. Представляет собой графическую среду для быстрого анализа

электромагнитного поведения различных структур, которые часто

встречаются в высокочастотных интегральных схемах (RFIC), монолитных

СВЧ микросхемах (MMIC), микрополосковых антеннах и высокоскоростных

цифровых печатных платах.

Система EMSight при расчетах использует метод моментов Галеркина.

Для анализа СВЧ структур в диапазоне частот применен метод быстрого

свипирования по частоте (FFS), который позволяет на порядок сократить

время моделирования по сравнению с обычным методом последовательного

перебора частотных точек.

Метод FFS позволяет экстраполировать частотную характеристику

структуры в широком диапазоне частот на основании ее значения всего на

одной частоте в силу аналитической природы линейных электромагнитных

задач. Метод FFS вычисляет передаточную функцию схемы и ее

производные по частоте, причем порядок дифференцирования определяется

пользователем (не более 12). Передаточная функция, а также ее производные

используются для вычисления доминирующего полюса и нуля передаточной

функции вблизи частот анализа. Тем самым для относительно простых

структур, размеры которых меньше длины волны, обеспечивается точная

экстрaполяция частотной характеристики в широкой полосе частот.

Благодаря встроенному интерфейсу импорта/экспорта, пакет может

сохранять данные в стандартных форматах промышленных систем,

например Touchstone, что делает возможным использование их другими

популярными системами линейного и нелинейного анализа производства

компаний Ansoft, HP EEsof, Optotek и др. Также EMSight импортирует и

экспортирует файлы системы Sonnet Geo, что делает его идеальным

графическим редактором для пользователей системы Sonnet EM.

Дополнения в новую версию EMSight включают в себя:

двунаправленные трансляторы форматов DXF и GDSII; возможность

использования внутренних портов; простой моделировщик линейных схем,

позволяющий анализировать соединение нескольких СВЧ структур, а также

добавлять в них сосредоточенные элементы; ускорение процесса

моделирования; улучшенная визуализация полученных результатов и учет

различных взаимовлияний; дополнительные возможности проектирования

антенн [анимационное представление поля в дальней зоне, введение

измерительного зонда, построение диаграмм направленности в дальней зоне

(RHCP, LHCP, EPHi и ETheta), создание эквивалентной схемы замещения

антенны на сосредоточенных элементах (вывод в виде списка соединений в

формате Spice)].

Для решения задач моделирования в продуктах используется

собственная библиотека High Math Object Library.

Программа MMANA.

Это программа для расчета и анализа антенн методом моментов.

Вычислительной основой программы является MININEC3. MMANA

позволяет:

• рассчитывать любые типы антенн, которые можно представить как

произвольный набор проводов;

• производить расчет на любой частоте;

• создавать и редактировать описания антенны, как указанием цифровых

координат, так и в графическом редакторе (просто рисовать антенну

"мышкой");рассматривать множество разных видов антенны;

• рассчитывать диаграммы направленности (ДН) в вертикальной

и горизонтальной плоскостях;

• строить трехмерные диаграммы направленности;

• одновременно сравнивать результаты моделирования нескольких

разных антенн;

• редактировать каждый элемент антенны, включая возможность

изменения его форму;

• редактировать описание каждого провода антенны простым

перетаскиванием "мышкой";

• просчитывать комбинированные (состоящие из нескольких, разных

диаметров) провода;

• создавать стеки, в качестве элемента стека можно использовать

любую;

• оптимизировать антенну, гибко настраивая цели оптимизации: Zвх,

КСВ, усиление, F/B, минимум вертикального угла излучения;

• задавать изменение при оптимизации более 90 параметров антенны,

возможно описание совместного (зависимого) изменения нескольких

параметров;

• сохранять все шаги оптимизации в виде отдельной таблицы для

последующего анализа;

• строить множество разнообразных частотных графиков: Zвх, КСВ,

усиление, F/B, ДН;

• автоматически рассчитывать разные согласующие устройства (СУ), с

возможностью включать и выключать их при построении графиков;

• создавать таблицы для всех переменных расчетных данных: токов в

каждой точке антенны, зависимости усиления от углов, изменение

основных параметров антенны от частоты, напряженности полей

антенны в заданной области пространства;

• рассчитывать катушки, контура, СУ на LС элементах, СУ на отрезках

длинных линий (несколько видов), индуктивности и емкости,

выполненные из отрезков коаксиального кабеля.

• Не имеет ограничений по взаимному расположению проводов.

Максимальное число: проводов — 512, источников — 64, нагрузок —

100.

Описание главного меню.

Главное меню программы MMANA состоит из 9-ти выпадающих

меню:

1. Меню файл;

2. меню правка;

3. меню сервис;

4. инструменты;

5. меню помощь.

В данной главе рассматривается содержание каждого из этих меню.

Обратится к нужному меню, можно двумя способами или выбрать левой

кнопкой мыши, или нажать клавишу alt и клавишами влево или вправо

выбрать нужное меню и нажать Enter.

Меню файл.

Меню файл содержит следующие компоненты:

1. Новый - открывает новый проект.

2. Открыть - открывает файл с уже созданным проектом, при помощи этого

пункта меню можно обращаться к библиотеке антенн.

3. Сохранить и сохранить как - сохраняет текущий проект.

4. Комментарии - открывает окно, в котором можно печатать комментарии к

антенне. На работу программы не как не влияет.

5. Открыть ДН и Сохранить ДН - позволяют открывать и сохранять

диаграммы направленности.

6. Открыть таблицу оптимизации и Сохранить таблицу оптимизации -

позволяют открывать и сохранять все шаги оптимизации.

7. Таблица токов, Таблица напряженности полей, Таблица углы/усиление и

Таблица F/KCB/Gain/Z - позволяют открывать файлы с указанными в них

таблицами.

8. Выход - закрывает программу MMANA

Так же в меню файл, перед пунктом выход, содержатся имена четырех

последних открытых файлов.

Меню правка.

Данное меню содержит следующие компоненты:

1. Удалить - на вкладке геометрия удаляет выделенные провода.

2. Добавить - на вкладке геометрия добавляет строчку в поле описания

провода.

3. Поиск и замена - позволяет найти и заменить любую цифру, находящуюся

в поле описания проводов, введенную в поле наитии, на любую другую

введенную в поле «заменить на». При постановке галочки против фразы

«заменять и зеркальные значения» можно заменить цифры с

противоположным знаком, цифре введенной в поле «заменить» на цифра с

противоположным знаком цифре введенной в поле «заменить на». Также

можно выбрать координаты значения, которых следует заменить, для этого

нужно поставить галочку против соответствующей фразы.

4. Подвинуть - позволяет увеличить или уменьшить одну или все

координаты выбранного провода на величину, введенную в поле «на».

Величина сдвига вводится в метрах.

5. Описание провода - позволяет изменить описание выбранного провода.

6. Установить параллельно - позволяет менять координаты местами. При

выборе «оси X» местами меняются все координаты X и Y, при выборе «оси

Z» - все координаты X и Z, при выборе «оси Y» - все координаты Y и Z.

7. Вращать - позволяет повернуть антенну вокруг определенной оси.

Величина угла поворотов задается в градусах.

8. Масштабирование - позволяет увеличивать значения координат и

уменьшать величину рабочей частоты в n раз, где n значение указываемое в

поле множитель.

9. Округлить цифры до - устанавливает количество значений в числе после

запятой.

Меню сервис.

Данное меню содержит следующие компоненты:

1. Сравнить - позволяет открыть файл с сохраненными диаграммами

направленности.

2. Оптимизация и обзор шагов оптимизации - Аналогичны кнопкам,

находящимся на вкладке «вычисления». Подробнее об этих функциях

рассказывается ниже.

Меню инструменты.

1. Калькулятор - вызывает калькулятор «Windows».

2. Программы пользователя - возможность вызова программ, определенных

пользователем (например,NEC_for_MMANA, GAL-AntView) и возможность

запуска пользовательской программы с текущим файлом *.maa.

Меню помощь.

1. Читать MMANA.TXT - открывает файл, в котором содержится краткое

описание возможностей программы MMANA.

2. Читать Append.TXT - открывает файл с описанием характеристик

различных типов земли.

Программа Microwave Studio.

CST Microwave Studio - система моделирования СВЧ устройств.

Изменить стандарты, принятые в области трехмерного электромагнитного

моделирования - вот главный лозунг, который выдвинула и воплотила в

жизнь основанная в 1992 году немецкая компания Computer Simulation

Technology (CST). Опираясь на поддержку своих многочисленных,

разбросанных по всему миру пользователей - разработчиков СВЧ-

оборудования, компания CST смогла вывести свои продукты MAFIA и CST

Microwave Studio в число лучших программ электромагнитного

моделирования. Система CST Microwave Studio представляет собой

чрезвычайно быструю и точную программу моделирования сложных

объемных СВЧ устройств, таких как антенны и волноводы, с целью

получения их S-параметров.

В основе программы лежит разработанный компанией CST метод

аппроксимации для идеальных граничных условий (PBA), удачно

дополняющий хорошо зарекомендовавший себя метод определенных

интегралов (FI), работающим во временной области. В любом методе,

связанном с моделированием конечных элементов, все поверхности

разбиваются на небольшие элементы. Если модель СВЧ устройства задана

только прямыми плоскостями, то число анализируемых элементов разбиения

невелико, и расчет проводится относительно быстро. При использовании в

СВЧ устройствах криволинейных поверхностей, для их аппроксимации

требуется намного большее количество элементов разбиения, что приводит к

значительным временным затратам при анализе. Комбинация методов PBA и

FI, предложенная компанией CST, позволила быстро решать задачи

моделирования сложных СВЧ устройств с криволинейными поверхностями

на широко распространенных компьютерах с процессорами Pentium.

Типичными устройствами, моделируемыми с помощью пакета CST

Microwave Studio, являются:

• волноводные и микрополосковые направленные ответвители

мощности;

• делители и сумматоры мощности;

• волноводные, микрополосковые и диэлектрические фильтры;

• одно- и многослойные микрополосковые структуры;

• различные линии передачи;

• коаксиальные и многовыводные соединители;

• коаксиально-волноводные и коаксиально-полосковые переходы;

• оптические волноводы и коммутаторы;

• различные типы антенн - рупорные, спиральные, планарные.

Программа имеет простой и удобный интуитивный пользовательский

интерфейс, плодотворно работать с которым даже новичок сможет уже через

два часа после первого знакомства с программой. Искушенные же

пользователи смогут автоматизировать подготовку и выполнение

большинства задач с помощью встроенного макроязыка VBA.

Система моделирования является законченным программным

продуктом, то есть она имеет в своем составе все необходимые модули,

начиная с графического редактора для прорисовки трехмерной структуры и

заканчивая модулем построения рассчитанных частотных зависимостей.

Система построения исследуемых структур базируется на ядре ACIS,

используемом большинством известных CAD-систем, например, всем