Приём вкр для публикации в эбс спбгэту "лэти". Создание проекта в CST Microwave Studio Cst microwave studio обзор программы

Московский энергетический институт

Курушин А.А., Пластиков А.Н.

Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio

Москва 2010

УДК 621.3.049.77.029:681.3.06

Рецензенты: проф., д.т.н. Коган Б.Л., к.т.н. Грибанов А.Н., Папилов К.Б.

Курушин А.А., Пластиков А.Н. Проектирование СВЧ устройств в среде

CST Microwave Studio. – М. Издательство МЭИ, 2010, 160 стр.

CST MICROWAVE STUDIO - это мощная программа трехмерного моделирования электромагнитного поля. Программа использует различные методы расчета поля (расчет переходного процесса во временной области, анализ в частотной области, метод нахождения собственных частот). Основной методрасчет переходного процесса решает задачи возбуждения структуры радиоимпульсами, что отличает её от большинства других программных продуктов.

В настоящее время в России имеются десятки официальных лицензионных пользователей программы CST Microwave Studio, а тысячи студентов используют студенческую демо-версию программы во время учебного процесса, курсового и дипломного проектирования.

Учебное пособие посвящено описанию CST Microwave Studio версии 2009 г. и предназначено для студентов и аспирантов, изучающих проектирование СВЧ приборов, расчет и распространение электромагнитных полей в неоднородных средах.

УДК 621.3.049.77.029:681.3.06

Введение

Современные СВЧ устройства: радиоприемники, передатчики, системы переноса информации на радиочастоте – фактически состоят из антенны, радиоканала приема/передачи, блоков перевода информации из аналогового вида в цифровой и обратно (посредством АЦП/ЦАП) и цифровой части. Отдельные радиотехнические узлы – цифровые фильтры, коммутаторы, системы распознавания образов сигнала, системы разделения полезных сигналов и помех – реализуются в виде микросхем и процессоров. Поэтому проектирование полной системы приема и обработки радиоволн включает анализ коммутационных, модуляционных и прочих узлов, управляемых на уровне «цифры». Эти и другие особенности современных радиосистем требуют разработки и исследований новых методов анализа, синтеза и проектирования как всей системы, так и отдельных узлов. В условиях высокого темпа производства современный исследователь должен однозначно получить ответ: какой метод нужно выбрать для решения конкретной задачи с заданной степенью точности.

Отметим тот факт, что необходимый темп исследований и разработок бортовых и наземных антенных систем невозможен без использования новых информационных технологий проектирования СВЧ структур разнообразных топологий на электродинамическом уровне. Подобные технологии не сводятся только к усовершенствованию распространённых методик аналитического и параметрического синтезов, используемых при анализе и оптимизации на вычислительных машинах в узкоспециализированных программах электродинамического моделирования, разработанных для расчета конкретных задач на основе численных методов решения уравнений Максвелла.

Рис. В.1. Ближнее электрическое поле в сечении автомобиля с антенной на его крыше (а) и диаграмма направленности планарной антенны(б) , расположенной на заднем стекле автомобиля

Программа CST MICROWAVE STUDIO™ , описанию которой посвящена данная книга - это мощный комплекс, предназначенный для трехмерного моделирования объектов разнообразной формы на электродинамическом уровне.

Стоит отметить, что в последние годы отечественные инженеры и исследователи уделяют данному программному комплексу всё больше внимания.

В процессе проектирования СВЧ устройств с помощью CST Microwave Studio вих конструкции в трехмерном представлении вводятся с помощью черчения простейших геометрических фигур – примитивов и выполнения логических (булевых) операций над ними. Имеются и широкие возможности импорта моделей из других программ. После того, как конструкция начерчена и заданы граничные условия, включая источники возбуждения, выполняется разбиение всего пространства задачи на сетку, а затем рассчитывается поле в каждой точке пространства.

Наиболее гибкий метод расчета, реализованный в Microwave Studio в виде переходного решающего устройства Transient Solver , может провести расчет проектируемого устройства в широком диапазоне частот после расчета единственной переходной характеристики (в отличие от частотного метода, который требует анализ во многих частотных точках). Этот метод очень эффективен для решения многих СВЧ устройств, типа разъемов, линий передачи, фильтров, антенн и т.д.

Рис. В.2. Стадии моделирования сотового телефона (а), рассчитанные распределения ближних полей (б) и диаграмма направленности антенны телефона (в)

При исследовании резонансных структур типа узкополосных фильтров, решение во временной области времени может стать неэффективным из-за медленно спадающих во времени сигналов - откликов. Для решения подобных задач Microwave Studio позволяет использовать метод Eigenmode .

Программа Transient Solver становится менее эффективным при решении низкочастотных задач, когда размер структуры намного меньше длины волны. В этих случаях может быть целесообразно решать задачу в частотной области. Этот подход наиболее эффективен, когда представляют интерес характеристики только в нескольких частотных точках.

Базовый метод расчета в Microwave Studio – метод конечного интегрирования (FIT)– является методом пространственной дискретизации, в котором пространство задачи разбивается на дискретные ячейки (сетку). При этом в решающем устройстве реализуется метод конечных разностей во временной области (FDTD ) как частный случай метода FIT . Очень важная особенность решения во временной области – пропорциональная зависимость требуемых вычислительных ресурсов от размеров структуры. В настоящее время, на современном персональном компьютере с помощью метода FDTD можно выполнить расчет структур с размером до нескольких десятков длин волн.

Исследования и разработки инженеров, работающих в аэрокосмической и оборонной промышленности, постоянно подталкивают к решению задач на грани возможного. Это распространяется и на специализированные области технологий электромагнитного моделирования. Одна из важных практических задач – оптимизация эффективной поверхности рассеивания (ЭПР) летательных аппаратов и кораблей, а другая

– решение проблем электромагнитной совместимости радиотехнических систем с учетом влияния корпуса аппарата на эффективность связи. Оба этих направления характеризуются электрическими размерами аппаратов, которые, как правило, составляют сотни длин волн.

Рис. В.3. Экспортированная модель вертолета (а) и рассчитанный трехмерный график ЭПР (б)

Решить подобные задачи с помощью обычных методов объемной дискретизации пространства (FIT или FEM ) не представляется возможным. В последних версиях Microwave Studio для решения данного класса задач предлагается использовать метод интегральных уравнений (Integral Equation Solver , I-solver ). Это позволяет выполнить электродинамический анализ трехмерных структур больших электрических размеров (рис. В.3).

Не менее важная особенность Microwave Studio – возможность полной параметризации модели структуры (от геометрии до свойств материалов), которая использует переменные при определении каждого варьируемого параметра. В комбинации со встроенным оптимизатором и возможностью прямого изменения параметров, Microwave Studio эффективно выполняет проектирование устройств на электродинамическом уровне. Комплекс CST идет в ногу с появлением физических задач, связанных с освоением космоса, с работой в приборах исследовании элементарных частиц, биологии и медицине (рис. В.4). Комплекс CST значительно расширяется в последние годы, и таким образом не теряет пальму первенства в популярности.

Алгоритм решения современных задач с физическим содержанием сводится к точному моделированию физических процессов, включающих распространение электромагнитных волн, тепловые явления, учет движущихся в пространстве расчета частиц.

Рис. В.4. Модель введения катетера в брюшную полость человека (а) и получаемые распределения электрического поля (б) и температуры (в)

Он включает оптимизацию процесса проектирования, выработку соотношения между аналитическими и численными методами при решении актуальных задач, стоящих как перед организаторами научной работы, так и перед исполнителями от научных сотрудников до инженеров.

Главные особенности Microwave Studio

Microwave Studio - основанная на языке ACIS система параметрического моделирования трехмерных структур, с полной визуализацией структуры, так что:

- возможен импорт трехмерной структуры в формате *.sat, *.iges или *.stl ,

- возможен импорт слоев в формате *.dxf, *.gdsII и *.gerber ,

- импорт биологической модели человека в виде файла,

- экспорт данных в формате *.sat, *.iges, *.stl, *.drc и *.pov,

- параметризация структуры импортированных файлов CAD.

Рис. В.5. Модель военного корабля с рассчитанными токами на металлических поверхностях

В CST реализовано несколько методов расчета. Сделаем их обзор.

Расчет переходного процесса. В этом режиме CST обеспечивает:

- эффективное моделирование структур с потерями и без потерь,

- расчет S – параметров в широком диапазоне частот по единственного расчету переходного процесса, применяя преобразование Фурье,

Вычисление E, H-поля по одному выполненному моделированию,

- адаптивное уплотнение трехмерной сетки разбиения на ячейки,

- описание изотропных и анизотропных материалов,

- моделирование поверхностного импеданса для хороших проводников,

- расчет распределения типов волн в сечении порта,

- реализацию многоэлементных портов с TEM волнами,

- нормирование S - параметров для указанных импедансов портов,

- возбуждение структуры плоской волной,

Использование идеальных граничных условий излучения/поглощения, периодических граничных условий, -вычисление дальнего поля антенны (усиление, направленность, подавление боковых лепестков, и т.д.),

- расчет эффективной поверхности рассеяния RCS,

- вычисление различных характеристик электромагнитного типа: электрического поля, магнитного поля, поверхностных токов, потоки мощности, плотности тока, плотности потерь, а также тепловые, электрические, магнитные энергетические плотности,

- включение в структуру дискретных элементов (R,L,C), включая нелинейные диоды,

- в режиме расчета переходного процесса можно задать функцию возбуждения в виде прямоугольного и др. форм радиоимпульса,

- автоматическое извлечение схемной модели SPICE (R, L, C, G),

Параллелизацию работы солверов, полностью загружая 32-битовый процессор PC,

Оптимизацию структуры для произвольных целей использовать встроенный оптимизатор.

Расчет в частотной области. В этом случае программа CST

обеспечивает:

- расчет структур с потерями и без потерь,

- описание изотропных, анизотропных и гиротропных свойств материалов,

- равномерную и адаптивную выборку частот в диапазоне анализа,

- расчет типов волн в портах 2-D решающим устройством Eigenmode в частотной области,

- перенормирование S - параметров для заданных импедансов портов,

- разгерметизацию S – параметров,

- улучшенные граничные условия излучения/поглощения,

- вычисление дальнего поля антенны (включая усиление, угол излучения ДН, подавление боковых лепестков и т.д.),

- расчет дальнего поля антенной решетки,

- вычисление характеристик электрического и магнитного ближнего поля,

- включение сосредоточенных элементов R, L, C, G в любом месте структуры,

- автоматическое извлечение SPICE модели (генерирование R, L, C, G).

Метод собственных частот

В этом случае программа Eigenmode выполняет:

Расчет собственных частот, потерь и добротностей для каждого типа волны, резонирующих на этих частотах,

- анализ типов волн поля (мод) в замкнутой структуре,

- расчет структур, которые могут быть заполнены анизотропными материалами,

- оптимизация структуры, используя встроенный оптимизатор.

Программа решения методом интегральных уравнений

Эта программа позволяет моделировать большеразмерные объекты и выполняет:

- расчет S – параметров в широкой полосе частот, полученных по распределению поля и используемых типов волн,

- расчет структур, заполненных изотропными и анизотропными материалами,

- вычисление потерь и добротностей для каждого режима,

- параллельная работа на нескольких ядрах персонального компьютера,

- генерирование SPICE модели (R, L, C, G).

- параметрическую оптимизацию, в которой выполняется изменение одного или нескольких параметров проекта,

- автоматическая оптимизация структуры для произвольных целевой функции, создаваемой в виде аналитических выражений.

в) Визуализация результатов анализа и их экспорт

- вывод типов волн в портах, постоянную распространения, импеданс, и т.д.

- вывод S – параметров в декартовой и полярной системах координат, диаграмму Смита,

- просмотр электрических и магнитных полей, потоков мощности, поверхностных токов в двумерном и трехмерном представлениях,

- вывод характеристик полей в дальней зоне (напряженность поля, коэффициент усиления антенны, направленность антенны, эффективная поверхность рассеяния RCS),

- вывод вида полей в дальней зоне (поля, усиление, направленность, RCS) в трехмерном и двумерном виде,

- анимация процесса распространения электромагнитного поля,

- просмотр сетки разбиения,

- экспорт S - параметров в формате Touchstone,

- экспорт данных расчета (полей, характеристик и т.д.) как файлы ASCII,

Экспорт графиков в табличной форме.

******************************************************************

Данное учебное пособие состоит из 5 глав. В первой делается обзор интерфейса программы и принципов построения модели, во второй проводится ознакомление с реализованными в программе численными методами расчета; далее в каждой главе рассматриваются примеры анализа конкретных устройств, от простых к сложным. Авторы приносят благодарность д.т.н., проф. Гутцайту Э.М., д.т.н., проф. Когану Б.Л., к.т.н. Грибанову А.Н., Папилову К.П. за помощь в процессе работы над рукописью.

Глава 1. Общая характеристика СВЧ студии

1.1. CST Microwave Studio как часть общей программной среды CST STUDIO SUITE

Программная среда CST STUDIO SUITE представляет собой мощную платформу для решения электромагнитных задач. Удобный в использовании графический пользовательский интерфейс позволяет одновременно

Ключевые слова

ФИЛЬТР ВЫСОКИХ ЧАСТОТ / ЧАСТОТА СРЕЗА / ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ / CST MICROWAVE STUDIO / HIGH-PASS FILTER CUTOFF FREQUENCY / BANDWIDTH

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы - Дерачиц Дмитрий Сергеевич, Кисель Наталья Николаевна, Грищенко Сергей Григорьевич

Для защиты устройств от помех и решения задачи электромагнитной совместимости необходимо использовать фильтры с затуханием 60 дБ и более в полосе заграждения. Устройства такого типа должны не только эффективно подавлять помеху в требуемом диапазоне частот, но и обладать хорошей экранировкой от проникновения в устройства наводимых внешних помех. Применение фильтров высоких частота в сигнальном тракте может значительно улучшить соотношение сигнал/шум всего устройства за счет подавления низкочастотных шумов и дрейфа сигналов с частотами ниже, чем нижняя граница спектра частот полезного сигнала. Было выполнено моделирование фильтра с частотой среза 90 МГц, у которого затухание в рабочей полосе составляет не более 1 дБ, а подавление вне полосы пропускания не менее 90 дБ. Фильтр представляет собой параллельно соединенные последовательные колебательные контуры. Каждый из контуров имеет емкостную связь с соседним контуром и работает как заграждающий фильтр, настроенный на одну из частот подавления. Перекрытие полос каждым из фильтров реализует всю полосу режекции фильтра, заданную от 0 до 90 МГц. Проектирование осуществлялось в два этапа: схемотехническое моделирование и полное 3D-электромагнитное моделирование с учетом металлического корпуса и возможного влияния между каскадами за счет поверхностных волн, возникающих на диэлектрической подложке фильтра. Пакет САПР СВЧ CST Microwave Studio обеспечивает анализ параметров электромагнитного поля в объеме проектируемого фильтра и осуществляет строгий расчет его технических характеристик.

Текст научной работы на тему «Моделирование на базе САПР CST Microwave Studio фильтра высоких частот»

17. Popovich V., Vanurin S., Kokh S., Kuzyonny V. Intellectual Geographic Information System for navigation safety // IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine. - 2011. - Vol. 26.

18. Беляков С.Л., Диденко Д.А., Самойлов Д.С. Адаптивная процедура управления представлением рабочей области электронной карты // Известия ЮФУ. Технические науки.

2011. - № 1 (114). - С. 125-130.

19. Беляков С.Л., Розенберг И.Н. Программные интеллектуальные оболочки геоинформационных систем. - М.: Научный мир, 2010.

20. Беляков С.Л., Белякова М.Л., Розенберг И.Н. Ограничения целостности при визуализации пространственной базы данных // Известия ЮФУ. Технические науки.- 2013. - № 5. (142). - С. 138-143.

21. Luger G.F. Artificial Intelligence: Structures and Strategies for Complex Problem Solving.

Addison Wesley. - 2004.

22. Беляков С.Л., Боженюк А.В., Гинис Л.А., Герасименко Е.М. Нечеткие методы управления потоками в геоинформационных системах. - Таганрог. - 2013.

23. Варшавский П.Р., Еремеев А.П. Моделирование рассуждений на основе прецедентов в интеллектуальных системах поддержки принятия решений // Искусственный интеллект и принятие решений. - 2009. - № 1. - С. 45-57.

24. Вагин В.Н., Головина Е.Ю., Загорянская А.А., Фомина М.В. Достоверный и правдоподобный вывод в интеллектуальных системах / Под ред. Вагина В.Н. и Поспелова Д.А.

М.: Физматлит. - 2008.

25. Хорошевский В.Ф.Семантическая интерпретация паттернов данных на основе структурного подхода // Искусственный интеллект и принятие решений. - 2013. - № 2. - С. 3-13.

Беляков Станислав Леонидович - Южный федеральный университет; e-mail: [email protected]; 347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44; тел.: +78634371695; кафедра информационно-аналитических систем безопасности; д.т.н.; профессор.

Боженюк Александр Витальевич - e-mail: [email protected]; д.т.н.; профессор.

Розенберг Игорь Наумович - ОАО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт инженеров железнодорожного транспорта» (НИИАС); e-mail: [email protected]; 109029, г. Москва, ул. Нижегородская, 27, стр. 1; тел.: 84959677701; зам. генерального директора; д. т. н.

Belyakov Stanislav Leonidovich - Southern Federal University; e-mail: [email protected]; 44, Nekrasovsky, Taganrog, 347928, Russia; phone: +78634371695; the department of information analytical systems of safety; dr. of eng. sc.; professor.

Bozhenyuk Alexander Vitalievich - e-mail: [email protected]; dr. of eng. sc.; professor.

Rozenberg Igor Naymovich - Public corporation "Research and development institute of railway engineers"; e-mail: [email protected]; 27/1, Nizhegorodskaya, Moscow, 109029, Russia; phone: +74959677701; deputy director; dr. of eng. sc.

УДК 621.396.67

Д.С. Дерачиц, Н.Н. Кисель, С.Г. Грищенко

МОДЕЛИРОВАНИЕ НА БАЗЕ САПР CST MICROWAVE STUDIO ФИЛЬТРА ВЫСОКИХ ЧАСТОТ

внешних помех. Применение фильтров высоких частота в сигнальном тракте может значительно улучшить соотношение сигнал/шум всего устройства за счет подавления низкочастотных шумов и дрейфа сигналов с частотами ниже, чем нижняя граница спектра частот полезного сигнала. Было выполнено моделирование фильтра с частотой среза 90 МГц, у которого затухание в рабочей полосе составляет не более 1 дБ, а подавление вне полосы пропускания - не менее 90 дБ. Фильтр представляет собой параллельно соединенные последовательные колебательные контуры. Каждый из контуров имеет емкостную связь с соседним контуром и работает как заграждающий фильтр, настроенный на одну из частот подавления. Перекрытие полос каждым из фильтров реализует всю полосу режекции фильтра, заданную от 0 до 90 МГц. Проектирование осуществлялось в два этапа: схемотехническое моделирование и полное SD-электромагнитное моделирование с учетом металлического корпуса и возможного влияния между каскадами за счет поверхностных волн, возникающих на диэлектрической подложке фильтра. Пакет САПР СВЧ CSTMicrowave Studio обеспечивает анализ параметров электромагнитного поля в объеме проектируемого фильтра и осуществляет строгий расчет его технических характеристик.

Фильтр высоких частот; частота среза; полоса пропускания; CST Microwave Studio.

D.S. Derachits, N.N. Kisel, S.G. Grishchenko

SIMULATION OF HIGH-PASS FILTER USING SOFTWARE CST MICROWAVE STUDIO

To protect against interference and solve the problem of electromagnetic compatibility is necessary to use filters with attenuation of 60 dB or more in the stopband. Devices of this kind must not only effectively reduces the noise in the desired frequency range, but also have good shielding from penetrating into the device induced by external noise. The use of high-pass filter in the signal path can significantly improve the signal/noise ratio of the entire device by suppressing the low-frequency noise and drift signals with frequencies lower than the lower limit of the frequency spectrum of the desired signal. The work was performed modeling filter with a cutoff frequency of 90 MHz, the attenuation of which in the operating band is less than 1 dB, and the suppression is bandwidth - not less than 90 dB. A filter is a parallel-connected series resonant circuit. Each circuit is capacitively coupled to an adjacent circuit and operates as a band stop filter configured to suppress one of the frequencies. Overlapping bands of each filter implements the entire band rejection filter set from 0 to 90 MHz. Design was carried out in two phases: circuit simulation and full 3D - electromagnetic simulation with the metal body and the possible impact between stages due to surface waves generated on a dielectric substrate filter. Microwave CAD software CST Microwave Studio provides an analysis of the parameters of the electromagnetic field in the volume of the filter design and implement a rigorous calculation of its technical characteristics.

High-pass filter cutofffrequency; bandwidth; CST Microwave Studio.

Введение. Темпы развития инфокоммуникационного оборудования и энергетических систем ведут к ухудшению электромагнитной обстановки. Повышенный уровень помех за пределами рабочего диапазона частот приводит к сбоям действующей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Для защиты РЭА от помех и решения задачи электромагнитной совместимости необходимо использовать фильтры с затуханием 60 дБ и более в полосе заграждения. Устройства такого типа должны не только эффективно подавлять помеху в требуемом диапазоне частот, но и обладать хорошей экранировкой от проникновения в РЭА наводимых внешних помех.

К основным техническим параметрам любого фильтра обычно относят: амплитудную и фазовую частотные характеристики (АЧХ и ФЧХ), частоту (частоты) среза, полосу пропускания, полосу подавления, уровень затухания в полосе пропускания, уровень подавления и другие. Частотой среза в любом фильтре принято считать такую частоту, при которой амплитуда выходного сигнала достигает уровня 0,707 (-3 дБ в логарифмическом масштабе) от своего максимального значения. При этом мощность, поступившая в нагрузку на выходе фильтра, составляет половину своего максимального значения. Полосу частот, в пределах которой

мощность выходного сигнала изменяется от своего максимального значения до половины, называют полосой пропускания (прозрачности) фильтра. Соответственно, полосу частот, в пределах которой мощность в нагрузке изменяется от половины максимального значения до своего минимума (в пределе - нуля), традиционно принято считать полосой подавления (заграждения или режекции) фильтра .

Известно, что фильтр высоких частот (ФВЧ) - это устройство, подавляющее входные сигналы в диапазоне частот ниже частоты среза этого фильтра. ФВЧ аналоговых сигналов бывают активными, т.е. требующими источников питания для своей работы, и пассивными, которые таких источников не требуют. В активном ФВЧ необходимо использовать активные элементы, выполненные по микроэлектронной технологии, например, операционные усилители, а пассивный ФВЧ можно изготовить только на пассивных электронных компонентах. Здесь важно отметить, что применение любых ФВЧ в сигнальном тракте РЭА может значительно улучшить соотношение сигнал/шум всего устройства за счет подавления низкочастотных шумов и дрейфа сигналов с частотами ниже, чем нижняя граница спектра частот полезного сигнала.

Моделирование фильтра высокой частоты. В работе было выполнено моделирование ФВЧ с частотой среза 90 МГц, у которого затухание в рабочей полосе составляет не более 1 дБ, а подавление вне полосы пропускания - не менее 90 дБ. Фильтр реализован как ФВЧ двадцатого порядка и представляет собой параллельно соединенные последовательные колебательные контуры (рис.1).

Каждый из контуров имеет емкостную связь с соседним контуром и работает как заграждающий фильтр, настроенный на одну из частот подавления. Перекрытие полос каждым из фильтров реализует всю полосу режекции ФВЧ, заданную от 0 до 90 МГц .

Рис. 1. Электрическая схема ФВЧ двадцатого порядка

Проектирование осуществлялось в два этапа: схемотехническое моделирование и полное 3Б - электромагнитное моделирование с учетом металлического корпуса и возможного влияния между каскадами за счет поверхностных волн, возникающих на диэлектрической подложке фильтра. В результате схемотехнического моделирования рассчитаны емкости и индуктивности схемы фильтра, АЧХ которого показана на рис. 2. Параметры сосредоточенных элементов фильтра приведены в табл. 1

Рис. 2. Трехмерная модель ФВЧ в СБТ Ы1его^аув &ийю

Таблица 1

Параметры сосредоточенных элементов фильтра

Обозначение Номинал, нГн Обозначение Номинал, пФ Обозначение Номинал, пФ

L4, L5, L6, L7 82 С13 33 С17 75

L8 100 C5, C9, С11 36 С4 82

L3 110 С7 39 С16 100

L9 133 C15 43 С2 120

L2 220 С3 47 С1 150

L10 276 C8, С10 51 С18 280

L1 680 С6 56 С19 1000

3D-моделирование выполнялась в пакете САПР СВЧ CST Microwave Studio , в качестве исходных данных использовались параметры сосредоточенных пассивных элементов фильтра, полученных на первом этапе схемотехнического моделирования и приведенные в таблице выше. В качестве подложки использован стеклотекстолита FR4 толщиной 1 мм, диэлектрической проницаемостью £=4,6 и тангенсом диэлектрических потерь 5=0,015. Модель фильтра в CST Microwave Studio и зависимости АЧХ для S-параметров показаны на рис. 2, 3 соответственно.

S-Parameter

12D -i-i-i-i-i-i-i-

0 50 100 150 200 250 300 350 «0

Рис. 3. АЧХБ-параметров ФВЧ

Как видно из рис. 3 в области режекции ФВЧ от 0 до 70 МГц наблюдался неравномерный характер АЧХ. При этом уровень подавления изменялся в значительных пределах от -70 дБ до -110 дБ. Кроме того минимальный уровень подавления оказался на 20 дБ меньше аналогичного параметра, полученного на этапе схемотехнического моделирования. Данный факт можно объяснить взаимным влиянием каскадов ФВЧ друг на друга из-за возникновения поверхностных волн в диэлектрической подложке, которые при схемотехническом моделировании учесть невозможно.

На рис. 4-7 представлены распределения вектора Пойнтинга и напряженности электрического поля в продольном сечении ФВЧ без экранирования между каскадами в полосе подавления на частоте 80 МГц и в полосе пропускания на частоте 400 МГц, соответственно.

Рис. 4. Распределение вектора Пойнтинга в продольном сечении ФВЧ в полосе подавления на частоте 80 МГц

Рис. 5. Распределение напряженностей электромагнитного поля в продольном сечении ФВЧ в полосе подавления на частоте 80 МГц

Рис. 6. Распределение вектора Пойнтинга в продольном сечении ФВЧ в полосе пропускания на частоте 400 МГц

Рис. 7. Распределение напряженностей электромагнитного поля в продольном сечении ФВЧ в полосе пропускания на частоте 400 МГц

Как видно из приведенных распределений, амплитуды электромагнитного поля и вектора Пойнтинга практически полностью ослабляются ФВЧ на расстоянии менее половины продольной длины фильтра на частоте 80 МГц и практически без потерь достигают выхода фильтра на частоте 400 МГц. В полосе режекции при удалении от подложки перпендикулярно вверх амплитуды поля и вектора Пойн-тинга заметно убывают. В полосе пропускания при удалении от микрополосковой линии и диэлектрической подложки в любом направлении затухание амплитуд поля и вектора Пойнтинга происходит значительно медленнее и слабее, поле локализуется в непосредственной близости к диэлектрику.

Для уменьшения электромагнитной связи между каскадами использованы стальные экраны в виде пластин, разделяющие друг от друга все каскады фильтра. Модель такого фильтра и зависимости АЧХ для его S-параметров показаны на рис. 8, 9, соответственно.

Рис. 8. Фильтр высоких частот с экранированием между каскадами

На рис. 9, 10 изображены распределения вектора Пойнтинга в продольном сечении ФВЧ с экранированием между каскадами в полосе подавления и в полосе пропускания фильтра. Аналогично результатам для фильтра без экранов (см. рис. 6, 7), амплитуды вектора Пойнтинга практически полностью ослабляются экранированным ФВЧ на расстоянии менее половины продольной длины фильтра на частоте 80 МГц и практически без потерь достигают выхода такого фильтра на частоте 400 МГц. Однако в этом случае, согласно рис. 10 и 11, энергия электромагнитного поля сконцентрирована вокруг микрополосковой линии, межкаскадных экранов и на самой диэлектрической подложке и занимает значительно меньший объем во всем фильтре.

Рис. 10. Распределение вектора Пойнтинга в продольном сечении ФВЧ с экранированием всех каскадов в полосе подавления на частоте 80 МГц

Рис. 11. Распределение вектора Пойнтинга в продольном сечении ФВЧс экранированием всех каскадов в полосе пропускания на частоте 400 МГц

S-Parameter

к ■->.____

Рис. 9. Частотные характеристики S-параметров ФВЧ с экранированием всех

каскадов

Заключение. Сравнение зависимостей АЧХ для ФВЧ с экранами и без них показало, что применение экранирующих пластин существенно улучшает подавление сигналов в полосе режекции фильтра. При этом наименьший уровень ослабления сигнала составил не менее -90 дБ. Использование экранов существенно влияет на поверхностную и пространственную волн, значительно уменьшая их уровень внутри объема фильтра. По сути, межкаскадные экраны образуют гребенчатую замедляющую структуру, которая совместно с диэлектрической подложкой способствует возникновению поверхностных волн. Характерным признаком поверхностной волны является экспоненциальное затухание амплитуды поля и вектора Пойнтинга в поперечном направлении от продольной поверхности самой замедляющей структуры, вдоль которой и происходит перенос энергии поля, что полностью подтверждается приведенными выше результатами моделирования.

Таким образом, задача проектирования фильтра включает в себя разработку его принципиальной схемы с обязательным учетом наличия внешних источников помех и возможного влияния корпуса и каскадов фильтра друг на друга, действие которых значительным образом влияет на технические характеристики фильтра. При проектировании фильтров с большим уровнем подавления схемотехническое моделирование не может адекватно описать, происходящие процессы формирования электромагнитного поля, поэтому необходимо выполнять трехмерный электромагнитный анализ всего устройства с помощью специализированных сред электронного моделирования. Пакет САПР СВЧ CST Microwave Studio обеспечивает анализ параметров электромагнитного поля в объеме проектируемого фильтра и осуществляет достаточно строгий расчет его технических характеристик.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Херреро Д., Уиллонер Г. Синтез фильтров: Пер. а англ. / Под ред. И.С. Гоноровского.

М.: Сов. радио, 1971. - 232 с.

2. Ханзед Г.Е. Справочник по расчету фильтров. Пер. с англ. / Под ред. А.Е. Знаменского.

М.: Сов. радио, 1974. - 288 с.

3. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование Фазированных антенных решеток / Под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Радиотехника, 2012. - 744 с.

4. Веселое Г.И., Егоров Е.Н., Алёхин Ю.Н. и др. Под ред.Веселова Г.И. Микроэлектронные устройства СВЧ. - М.: Высш. шк., 1988. - 280 с.

5. Сычёв А.Н. Управляемые СВЧ устройства на многомодовых полосковых структурах.

Томск: Томский государственный университет, 2001. - 318 с.

6. Бова Н.Т., Стукало П.А., Храмов В.А. Управляющие устройства СВЧ. - Киев: Техника, 1973. - 163 с.

7. Справочник по расчёту и конструированию СВЧ полосковых устройств / Под ред. В.И. Вольмана. - М.: Радио и связь, 1982. - 328 с.

8. Statz H., Newman P., Smith I., Pucel R., Haus H. GaAs FET device anl circuit simulation in SPICE // IEEE Trans. Electron Devices. - 1987. - Vol. ED-34, №2. - P. 160-169.

9. РазевигВ.Д., Потапов Ю.В., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office - М.: СОЛОН- Пресс, 2003. - 496 с.

10. Конструирование и расчёт полосковых устройств / Под ред. И.С. Ковалёва. - М.: Сов. радио, 1974. - 295 с.

11. Бова Н.Т. и др. Микроволновые устройства СВЧ. - Киев: Техника, 1984. - 182 с.

12. Воронин М.Я. Нерегулярные линии передачи на СВЧ: теория и применение. - Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет, 1994. - 291 с.

13. Знаменский А.Е., Попов Е.С. Перестраиваемые электрические фильтры. - М.: Связь, 1979. - 128 с.

14. Saavedra С., Zheng Y. Ring-Hybrid Microwave Voltage-Variable Attenuator Using HFET Transistor s // IEEE Transactions On Microwave Theory and Techniques. - 2005. - Vol. 53, № 7. - P. 2430-2433.

15. ПостниковВ.Ф. Элементы теории полосковых линий. - Новосибирск, 1994. - 89 с.

16. Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи.

М.: Связь, 1971. - Т. 1. - 495 с.

17. Разинкин В.П., Белотелов В.В. Новые принципы построения полосовых фильтров СВЧ // Труды 4-й Международной конференции АПЭП-98, Новосибирск, 1998. - С. 133 136.

18. Расчёт фильтров с учётом потерь. Справочник, перевод с немецкого / Под ред. Сильвин-ской К.А. - М.: Связь, 1972. - 200 с.

19. Осипенков В.М., Бачинина Е.Л., Фельдштейн А.Л. Вопросы расчёта фильтров СВЧ с потерями // Радиотехника. - 1973. - Т. 28, № 4. - С. 25-30.

20. Lucyszyn S., Robertson D. Analog reflection topology building blocks for adaptive microwave signal processing applications // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. - 1995. - Vol. 43, № 3. - P. 601-611.

21. Матвеев С.Ю., Разинкин В.П. Узкополосный СВЧ фильтр // Патент 2185693 РФ: 7 Н 01 Р 1/20, 7/00. 2002. Бюл. № 20.

22. Разинкин В.П., Белотелов В.В. Высокоизбирательные фильтры СВЧ// Proceeding IEEE-Russia conference Microwave electronics (MEMIAT997). - Novosibirsk: NSTU, 1997.

23. Матвеев С.Ю., Разинкин В.П. Микрополосковый фильтр СВЧ // Известия вузов. Радиоэлектроника. - 2001. - Т. 44. - № 7-8. - С. 38-41.

24. Грищенко С.Г., Дерачиц Д.С., Кисель Н.Н. 3D-моделирование микрополоскового фильтра высоких частот в пакете БГ^//Современная электроника. - 2015. - № 4. - С. 72-76.

25. Курушин А.А. Школа проектирования СВЧ устройств в CST Studio Suite. - М.: One-book, 2014. - 433 c.

Дерачиц Дмитрий Сергеевич - Южный федеральный университет; e-mail: [email protected]; 347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44; тел.: 88634371634; кафедра антенн и радиопередающих устройств; аспирант.

Кисель Наталья Николаевна - кафедра антенн и радиопередающих устройств; профессор; к.т.н.; доцент.

Грищенко Сергей Григорьевич - директор Института радиотехнических систем и управления; к.т.н.; доцент.

Derachits Dmitriy Sergeevich - Southern Federal University; e-mail: [email protected]; 44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia; phone: +78634371634; the department of antennas and radio transmitter, graduate student.

Kisel Natalia Nikolayevna - the department of antennas and radio transmitters; professor; cand. of eng. sc.; associate professor.

Grishchenko Sergey Grigorievich - director of Institute radio engineering system and control; cand. of eng. sc.; associate professor.

Пример реализован в версии CST Microwave Studio 2015

Введение

Ниже дана последовательность действий, рекомендуемая для моделирования резонаторных структур. В качестве примера рассмотрена задача поиска собственных мод резонатора, заполненного воздухом. Предлагаемая методика может использоваться для моделирования любых других резонаторов.

Исследуемый макет обладает симметрией вращения, поэтому для его построения используется вращение поперечного сечения вокруг собственной оси. Более того, в резонаторе присутствует зеркальная симметрия (в плоскости, перпендикулярной его образующей), поэтому достаточно будет создать только половину профиля вращения, а затем зеркально отобразить её для получения полной модели. После построения геометрии сам анализ не представляет особой сложности. Результатом моделирования станет получение собственных мод резонатора, а также вычисление добротности.

Построение геометрии

Создание нового проекта

После запуска CST STUDIO SUITE появится стартовое окно, в котором представлен список ранее открытых проектов, а также доступна возможность создания шаблонов проекта для наиболее часто моделируемых задач. Сначала проще всего создать и сохранить шаблон с основными настройками, наиболее подходящими для вашей области моделирования. Для этого нажмите на кнопку Create Project в разделе New Project.

Затем необходимо выбрать ту область, к которой относится Ваша решаемая задача: в данном случае выберите Microwaves & RF.

Для поиска собственных мод высокорезонасных структур, а также анализа фильтров укажите путь Circuits & Components | Waveguide & Cavity Filters | Eigenmode .

Выбранный шаблон по умолчанию установил единицы измерения на мм и ГГц, фоновый материал на идеальный электрический проводник (PEC) и все граничные условия на электрические стенки.

После нажатия кнопки Next выбранные настройки шаблона отобразятся на финальной сводной странице. На этом этапе вы можете переименовать название шаблона.

После нажатия кнопки Finish происходит автоматическое сохранение шаблона и открывается рабочее окно нового проекта с указанными настройками.

Обратите внимание: При повторной попытке открыть новый проект вы увидите, что недавно созданные шаблоны отображаются в разделе Project Templates. Если исследуемая область моделирования входит в рамки настроек ранее заданного шаблона, вы можете выбрать его, и CST MICROWAVE STUDIO запустится автоматически с необходимыми основными настройками. Не требуется каждый раз задавать новый шаблон проекта для похожих задач.

Обратите внимание: Все настройки, заданные шаблоном, могут быть изменены в дальнейшем, при построении модели. Например, единицы измерения изменяются в диалоговом окне Home: Settings | Units , а настройки вычислителя могут быть выбраны в выпадающем списке Home: Simulation | Start Simulation.

Настройка рабочей плоскости

Перед началом построения резонатора следует задать размер рабочей плоскости сравнимым с габаритами резонатора. Настройки рабочей плоскости доступны в диалоговом окне: View: Visibility | Working Plane | Working Plane Properties.

Наибольший размер модели равен 215 мм, поэтому размера рабочего поля равного 250 мм будет вполне достаточно. Введите это значение в графе Size и установите шаг растеризации плоскости равным 10мм для того, чтобы создать достаточно мелкую сетку на рабочей плоскости. Обратите внимание, что все размеры задаются в миллиметрах, поскольку текущие единицы измерения в CST установлены на мм (отображены в строке состояния).

Построение фигуры вращения.

После выполнения предварительных настроек приступим к созданию фигуры вращения. Сечение резонатора представляет собой простой многоугольник, поэтому не следует использовать инструменты построения кривых (Curve tools). Для фигур с сечением в виде многоугольника удобнее использовать инструмент: Modeling: Shapes | Extrusions | Rotate .

Поскольку поверхность для вращения не была выбрана заранее, инструмент автоматически запустится в режиме описания полигона, что потребует ввода вершин многоугольника. Вы можете задать координаты на рабочей плоскости двойным нажатием левой кнопки мыши или численным вводом координат. Поскольку последний вариант более удобен, для ввода координат нажмите клавишу Tab и в появившемся диалоговом окне задайте точки. Координаты вершин представлены в таблице ниже (в случае ошибочного ввода вы можете удалить предыдущие точки нажатием клавиши Backspace):

После ввода последней координаты многоугольник будет замкнут. Следом автоматически возникнет диалоговое окно профиля вращения:

В этом диалоговом окне вы можете проверить введенные координаты. В случае совершения ошибки значения меняются простым выбором необходимого поля (двойным нажатием левой кнопки мыши) и изменением координаты в нем.

Также вы можете присвоить построенному объекту свойства необходимого материала (в разделе Material), а также добавить объект в группу (в разделе Component). В рамках этого примера настройки, установленные по умолчанию, не требуют изменения (материал: Vacuum, группа: component1).

Обратите внимание: Использование групп (выпадающий список Component) позволяет объединить несколько объектов в особые группы (присвоение к определенной группе задается в разделе component), вне зависимости от свойств материалов этих объектов. В этом примере удобно использовать только одну группу.

В итоге остается только присвоить имя построенному объекту (в разделе Name) и нажать Ok для построения 3D элемента.

Инструменты выбора и построение фасок .

При проектировании резонаторов следует избегать использования грубых ребер, поскольку на них возникают неоднородности распределения полей и электрического тока. Поэтому рекомендуется использовать фаски для среза внутренних углов (как показано на рисунке ниже)

На первом этапе построения фаски следует выбрать ребро для обработки с помощью инструмента интерактивного выбора Modelling: Picks (или с помощью клавиши S). При активации режима выбора доступные для выделения вершины и ребра подсвечиваются, что позволяет без особых трудностей выбрать необходимую грань двойным нажатием левой кнопкой мыши. После выбора ребра вы можете изменить точку обзора структуры с помощью инструментов просмотра . В некоторых случаях удобнее использовать инструмент выбора в каркасном режиме просмотра View: Visibility | Wire Frame (или комбинация клавиш Ctrl+w).

После выбора необходимого ребра модель должна выглядеть следующим образом:

В случае ошибочного выбора вы можете удалить все ранее выбранные элементы с помощью команды Modeling: Picks | Clear Picks (или с использованием клавиши d).

Теперь необходимо создать фаску вдоль выбранного ребра. Для этого используйте инструмент Modelling: Tools | Blend . Откроется диалоговое окно, в котором укажите радиус скругления равным 15мм. Для подтверждения нажмите Ok, в результате чего модель будет выглядеть следующим образом:

Зеркальное отображение для построения полного резонатора

Для построения полной модели необходимо отобразить полученную половину в торцевой плоскости.

Сначала следует выбрать плоскость для отображения. Для этого активируйте режим выбора Modeling: Picks | Picks , в котором выберите торцевую плоскость резонатора.

Теперь необходимо активировать инструмент трансформации для построения зеркальной копии Modeling: Tools | Transform | Mirror .

В появившемся диалоговом окне, согласно положению выбранного торца, автоматически заданы координаты плоскости и направления отображения. Операция трансформации создает новый объект без сохранения исходного. Поэтому необходимо построить копию, для чего используйте опцию Copy. Затем объедините получившиеся объекты, для чего используйте опцию Unite. Для завершения построения нажмите клавишу Ok. В результате вы получите следующую структуру;

Настройки вычислителя

После успешного построения геометрии следует задать настройки вычислителя для получения необходимых СВЧ характеристик резонатора.

Установка частотного диапазона

По оценке этого резонатора первые пять резонансных частот будут расположены в диапазоне до 1,5 ГГц. Откройте диалоговое окно настроек частотного диапазона Simulation: Settings | Frequency . В нем установите значение максимальной частоты, равное 1,5 (обратите внимание, что единицами измерения частоты являются ГГц; это отображено в строке состояния).

Нажмите Ok для подтверждения внесенных изменений.

Граничные условия и симметрии

Перед началом моделирования всегда необходимо проверять установленные граничные условия. Для этого воспользуйтесь режимом, активируемым с помощью Simulation: Settings | Boundaries . При этом используемые граничные условия отобразятся в рабочем окне. Согласно установленному шаблону все граничные плоскости установлены на электрические стенки, что эквивалентно окружению идеальным проводником. Текущие настройки, установленные по умолчанию, соответствуют моделируемой задаче.

Предположим, что необходимо исследовать те типы волн, которые обладают продольной (вдоль оси х) составляющей электрического поля. Такое условие позволит заметно ускорить расчет структуры за счет использования плоскостей симметрии.

Для доступа к настройкам симметрии необходимо открыть вкладку Symmetry Planes в диалоговом окне граничных условий.

Устанавливая магнитные плоскости симметрии вдоль XY и XZ, вычислитель будет рассчитывать только те типы волн, у которых отсутствует тангенциальная составляющая магнитного поля вдоль выбранных плоскостей (или вынуждая электрическое поле быть тангенциальным указанной плоскости). Дополнительно можно установить электрическую плоскость симметрии вдоль YZ, что обязывает к наличию нормальной компоненты электрического поля к этой плоскости.

После примененных настроек модель будет выглядеть следующим образом:

Нажмите Ok для внесения изменений.

Пользователю следует всегда использовать свойства симметрии во всех случаях, где это возможно, для уменьшения времени моделирования.

После завершения описанных выше шагов вы можете приступить к поиску собственных мод резонатора.

Поиск собственных мод с использованием тетраэдрального разбиения

Вычислитель собственных мод в CST MICROWAVE STUDIO позволяет использовать как тетраэдральную, так и гексаэдральную сетку для дискретизации расчетной области.

Откройте диалоговое окно вычислителя собственных мод Home: Simulation | Start Simulation . Тетраэдральное сеточное разбиение установлено по умолчанию выбранным шаблоном:

Для запуска расчета нажмите кнопку Start. Вычислитель на первом этапе моделирования приступит к построению тетраэдральной сетки. Выберите папку Mesh Control в дереве проекта для просмотра конечного разбиения.

Отображение собственных мод и расчет добротности

Отображение собственных мод

Результаты расчета мод резонатора доступны в папке дерева проекта 2D/3D Results. Компоненты электромагнитного поля каждой моды сохранены в папках Mode N, где N – номер необходимой моды.

Для просмотра электрического поля 1−й моды выберите папку 2D/3D Results | Modes | Mode 1 | e. Результаты будут представлены с помощью векторов напряженности поля, как показано на рисунке выше.

Обратите внимание: Амплитуда поля всегда нормирована на 1Дж запасенной энергии в моде.

Во многих случаях необходимо отобразить распределение поля в определенной плоскости. Для этого переключитесь в режим 2D визуализации с помощью команды 2D/3D Plot: Sectional View | 3D Fields on 2D Plane . Теперь картина распределения поля будет выглядеть следующим образом.

Помимо графической визуализации поля в рабочем окне представлена текстовая информация, содержащая величину максимальной напряженности поля, значение резонансной частоты и т.д.

Расчет добротности

Из полученного распределения поля легко получить значение собственной добротности резонатора. Для этого необходимо открыть диалоговое окно анализа потерь Post Processing: 2D/3D Field Post Processing | Loss and Q .

В этом диалоговом окне необходимо задать только проводимость металла окружения. По умолчанию она установлена на проводимость меди (5.8e7 см/м).

Для изменения величины проводимости необходимо выбрать первую строку и нажать кнопку Modify, которая откроет следующее диалоговое окно:

Для этого примера задайте проводимость серебра (6,16 см/м) в графе Conductivity. Для внесения изменений нажмите OK.

Последним шагом в поиске добротности станет выбор необходимой моды в выпадающем списке H-Field data. Выберите Mode 1 для поиска добротности 1−й моды. Нажмите кнопку Calculate для получения результата.

Величина добротности основной моды равна .

Расчет потерь, как в объеме диэлектрика, так и поверхностных выполняется на этапе постобработки. Вычисление объемных потерь основано на распределении электромагнитного поля внутри исследуемого элемента, а также на свойствах материала заполнения: тангенса угла диэлектрических потерь tan(δ) или проводимости, соответствующей tan(δ):

Несмотря на то, что потери рассчитываются на этапе постобработки, свойства материала необходимо задать до выполнения моделирования, поскольку параметры используемых диэлектриков влияют на результаты расчетов временным , частотным или вычислителем (для последнего необходимо активировать учет диэлектриков при моделировании). Следует отметить, что в солвере можно указать учет всех диэлектриков только на этапе постобработки, при расчете потерь и добротности. В любом случае, диэлектрический объект необходимо описать до выполнения моделирования для дальнейшего расчета потерь и добротности с помощью метода возмущений.

Вычисление поверхностных потерь также выполняется с помощью метода возмущений для всех типов Е-солвера, для чего необходима величина проводимости материала σ, величина магнитной проницаемости и распределение магнитного поля при расчете без учета потерь:

Обратите внимание: рассчитываемая по формуле величина мощности потерь имеет среднее значение, тогда как значения электрических и магнитных полей – амплитудные.

Возможность вычисления потерь доступна после завершения этапа моделирования. Материалам, заданным изначально идеальным электрическим проводником PEC, присваивается конечная проводимость и проницаемость для конкретизации потерь (описывается в диалоговом окне Q-Factor Calculation). Такое присвоение можно реализовать для объектов, выполненных из PEC, фоновому материалу и материалу в граничных плоскостях. В отличие от диэлектриков все свойства материала, связанные с потерями в проводящем окружении, задаются на этапе постобработки.

Поиск собственных мод с использованием AKS метода.

Расчет собственных мод с автоматическими настройками вычислителя.

Откройте диалоговое окно настроек E – солвера Home: Simulation | Start Simulation . В нем измените тип сеточного разбиения на гексаэдральное.

Основным параметром, который необходимо задать в этом диалоговом окне, является число рассчитываемых мод. Вычислитель выполнит поиск указанного количества волн, начиная с наименьшей резонансной частоты. Рекомендуется указывать число мод для поиска больше, чем вы ищите. Поэтому для расчета, например, пяти первых мод следует указать расчет 10 мод.

Благодаря технике поверхностного сеточного разбиения Perfect Boundary Approximation (PBA), число используемых элементов сеточного разбиения сравнительно малое (около 7700). В действительности это приводит к составлению системы уравнений с 23100 неизвестными (приблизительно). На современных ПК решение такой системы займет несколько минут.

После завершения работы вычислителя резонансные частоты первых десяти мод отобразятся в окне результатов:

Точность моделирования всех указанных мод находится на высоком уровне. В общем и целом – результаты с точностью лучше считаются достоверными.

Для просмотра времени, потраченного на моделирование, откройте лог-файл с помощью Simulation: Solver | Logfile . Прокрутите вниз открывшееся окно для получения информации о времени счета (результат может изменяться в зависимости от мощности ПК):

Оптимизация производительности в случае последовательных вычислений

До сих пор поиск собственных мод резонатора выполнялся за малое время счета. Однако в случае проведения параметрического свипирования ускорение работы вычислителя заметно отразится на общем времени моделирования.

Настройка производительности в данном случае выглядит сравнительно просто: вычислитель может воспользоваться оценкой частоты наивысшей исследуемой собственной моды. Е – солвер автоматически определяет эту частоту по результатам предыдущих вычислений и записывает её величину в лог-файл. Данная информация содержится перед значением времени счета:

Теперь выполните расчет собственных мод с учетом оценочной частоты. Для этого откройте диалоговое окно настроек вычислителя Home: Simulation | Start Simulation . В нем обратитесь к диалоговому окну дополнительных настроек вычислителя, нажав кнопку Specials:

После получения оценочной частоты наивысшей моды (в примере 1,73153 ГГц) вы можете ввести это значение в поле Guess. Если эта величина неизвестна, то необходимо указать нулевое значение, установив солверу автоматическую оценку данной частоты. После нажатия кнопки Ok перезапустите моделирование, нажав Start.

При этом снова появится строка состояния, отображающая этапы выполнения моделирования. Обратите внимание на отсутствие построения матрицы вычислителя, поскольку структура не была изменена.

В результате получены те же значения резонансных частот. Информация о времени счета, доступная в лог-файле, выглядит следующим образом:

Сравнив времена счета, можно сделать вывод, что использование оценки частоты наивысшей моды способствует ускорению моделирования.

Данные шаги использовались для демонстрации ускорения работы вычислителя в случае оптимизации и параметрического свипирования. Точность результатов также будет высокой в случае использования автоматических настроек без дополнительных изменений. При однократном анализе конкретной модели использование оценочной частоты не предоставит преимуществ, но дальнейшее применение позволит повысить точность получаемых результатов:

Повышение точности

Погрешность поиска собственных мод резонатора вызвана двумя источниками:

Погрешность итерационного Е – вычислителя.

Неточности дискретизации исследуемого пространства.

Ниже дано несколько советов по минимизации этих ошибок и получению наиболее точных результатов.

Точность численных методов вычислителя собственных мод

Первый тип ошибок представлен в графе Accuracy для каждой моды после окончания моделирования. Считается, что мода рассчитана с достаточной точностью, если её точность лучше .

Минимизировать появление ошибок такого рода можно с использованием корректной оценочной частоты наивысшей моды или с применением большего числа итераций Е – солвера. Использование более пяти итераций, как правило, не влияет на получаемые результаты. В ряде случаев волны высшего типа рассчитываются с меньшей точностью, чем моды низшего порядка. Поэтому рекомендуется указывать большее число волн, чем вы исследуете, для повышения точности желаемых (низших) мод.

Обратите внимание: в этом примере поиск мод выполняется с помощью AKS вычислителя. В следующем разделе будет использован JDM солвер. По сравнению с AKS методом JDM не требует оценки частоты наивысшей моды, и рассчитываемые типы волн обладают установленной изначально точностью.

Влияние сеточного разрешения на точность Е – солвера.

Погрешности, возникающие в результате сеточного разбиения, как правило, тяжелее оценить. Единственным способом улучшения точности результатов является повышение сеточного разрешения с последующим расчетом собственных мод. В том случае, если получаемые результаты (например, собственные частоты, добротности) незначительно изменяются при изменении плотности разбиения, сходимость результатов можно считать достигнутой.

В рассмотренном примере использовалось сеточное разбиение, заданное по умолчанию, и автоматически создаваемое экспертной системой. Повысить точность получаемых результатов проще всего с использованием автоматической сеточной адаптации Adaptive mesh refinement, активируемой в диалоговом окне настроек вычислителя. (Home: Simulation | Start Simulation ):

После активации адаптивного сеточного переразбиения станут доступны настройки этой техники. Нажмите кнопку Properties для доступа к ним:

Поскольку для нас представляет интерес исследование первых пяти мод резонатора, сосредоточить сеточное переразбиение необходимо именно на этих первых пяти модах, для чего в поле Number of modes to check необходимо указать 5. Для принятия внесенных изменений нажмите кнопку OK.

После возврата в диалоговое окно настроек вычислителя запустите его, нажав кнопку Start. После нескольких минут, в течение которых будет проводиться адаптация сетки, появится диалоговое окно следующего содержания:

Процесс сеточной адаптации привел к достижению установленной точности (1% по умолчанию). Поскольку экспертная система была настроена именно на эту величину погрешности, вы можете отключить процедуру адаптации для последующих вычислений (например, для вариации параметров или оптимизации).

Сейчас следует деактивировать переразбиение сетки, нажав кнопку Yes. Результаты сходимости резонансных частот теперь доступны в дереве проекта.

При завершении процесса адаптации сетки пользователю доступна зависимость максимального относительного отклонения резонансной частоты в двух последующих расчетах. График зависимости представлен в дереве проекта: 1D Results | Adaptive Meshing | Error:

Из графика видно, что максимальное отклонение значений резонансных частот ниже 0,14%, что отражает как высокий уровень экспертной системы построения сетки, так и причину завершения сеточной адаптации.

Графики зависимости точности вычислителя на каждом шаге переразбиения представлены папке 1D Results | Adaptive Meshing | Mode Accuracies:

Из графиков видно, что точности расчета мод на обоих этапах переразбиения весьма хорошие. Также в папке дерева проекта доступны зависимости резонансных частот на каждом шаге переразбиения: 1D Results | Adaptive Meshing | Mode Frequencies:

Из графиков видно, что значения резонансных частот ведут себя вполне стабильно.

Главным преимуществом экспертной системы настройки сетки над классическими адаптивными схемами является выполнение одного единственного процесса переразбиения для получения оптимальных настроек экспертной системы. При проведении в дальнейшем вариации параметров или оптимизации нет необходимости повторного проведения адаптации сетки.

Расчет собственных мод с использованием JDM метода (метода Якоби-Дэвидсона)

Для поиска собственных мод в CST MICROWAVE STUDIO® вы можете использовать JDM вычислитель. Использование этого солвера рекомендуется в случаях расчета небольшого числа мод (не более 5). В рамках данного обучающего курса адаптивное разбиение будет отключено для ускорения расчета. Откройте диалоговое окно настроек гексаэдрального сеточного разбиения Home: Mesh |Global Properties : и введите значение 10 в полях Lines per wavelength и Lower mesh limit.

Результаты предыдущих вычислений будут удалены с изменением настроек сеточного разбиения. При этом появится следующее предупреждающее сообщение:

Нажмите Ok для удаления предыдущих результатов.

Как и ранее настройки вычислителя задаются в диалоговом окне Home: Simulation | Start Simulation . Из выпадающего списка Method выберите JDM и установите число рассчитываемых мод равное 5 (в графе Modes). В результате вычислитель выполнит поиск 5 мод, начиная с наименьшей резонансной частоты.

Перед запуском вычислителя вы можете настроить уровень необходимой точности расчета собственных мод, нажав кнопку Specials. Для данного примера уровня точности 1e−6 будет вполне достаточно, поэтому закройте диалоговое окно без внесения изменений, нажав кнопку Ok.

Для запуска моделирования нажмите кнопку Start. В строке состояния снова появятся индикаторы выполнения этапов моделирования (например, расчета матрицы или анализа собственных мод). После окончания расчета значения резонансных частот первых пяти мод появятся в окне сообщений.

Для просмотра времени, потраченного на моделирование, откройте лог-файл доступный в Post Processing: Results | View Logfiles | Solver Logfile. Пролистайте вниз открывшееся диалоговое окно для получения информации о тайминге (значение может отличаться в зависимости от характеристик используемого компьютера):

Время, затраченное на моделирование, сравнимо со временем AKS солвера.

Обратите внимание: по сравнению с AKS вычислителем JDM солвер не использует оценку наивысшей частоты для расчета собственных мод с установленной точностью. Как и для AKS солвера доступны картины распределения полей мод, результаты расчета добротности и поддержка сеточной адаптации.

По сравнению с AKS вычислителем JDM не поддерживает технологию TST сеточного разбиения. Более того AKS вычислитель необходимо использовать в случае расчета большого числа мод. JDM солвер используется при поиске собственных мод структур с потерями (с постоянной комплексной проницаемостью). Однако в случае расчета добротности модели с малыми потерями сначала рекомендуется выполнить моделирование без учета потерь. Это установлено по умолчанию с помощью активной опции Consider losses in postprocessing only (находится в окне настроек вычислителя). Следом, выполнить расчет добротности можно на этапе постобработки, как было описано ранее.

А.В. Фатеев

для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлениям подготовки специалистов

«Радиоэлектронные системы и комплексы» – 210601.65 и магистров «Радиотехника» – 210400.68

Министерство образования и науки Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники

Фатеев А.В.

Применение ПО CST Microwave Studio

для расчёта антенн и устройств СВЧ

Учебное пособие

Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки специалистов 210601.65 – Радиоэлектронные системы и комплексы и магистров 210400.68 – Радиотехника

УДК 621.3.049.77.029:681.3.06

Рецензенты:

канд. физ.-мат. наук, научный сотрудник Лаборатории высокочастотной электроники ИСЭ СО РАН

Болзовский Е.В.

канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой радиотехники ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Саломатов Ю.П.

Фатеев А.В.

Применение ПО CST Microwave Studio для расчёта антенн и устройств СВЧ: Учебное пособие. – Томск: Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2014. – 120 с.

Излагаются основы работы с системой электродинамического проектирования CST Microwave Studio. Приведены примеры моделирования антенн и устройств СВЧ. Рассмотрены особенности обработки результатов проектирования.

Учебное пособие предназначено для студентов технических вузов,

Радиотехника, и включает учебные материалы по дисциплине «Устройства СВЧ и антенны».

Введение..........................................................................................................
	Введение в CST Microwave Studio ..............................................................
	1.1. О программе........................................................................................
	1.2. Основные действия и настройки для создания CAD модели..........
	1.3. Создание объектов............................................................................
	1.4. Свойства объектов............................................................................
	1.5. Cвойства материалов........................................................................
	1.6. Преобразование объекта..................................................................
	1.7. Привязки объекта.............................................................................
	1.8. Примеры использования привязок..................................................
	1.9. Использование кривых.....................................................................
	Настройки для электромагнитного расчёта..............................................
	2.1.Назначение портов устройства.........................................................
	2.2.Разбиение сетки.................................................................................
	Пример моделирования коаксиально-волноводного перехода...............
	Расчёт Е -секториальной антенны..............................................................
	Пример моделирования антенной решётки..............................................
	Моделирование резонатора.......................................................................
	Моделирование делителя мощности........................................................
Литература....................................................................................................

Введение

В настоящее время многие разработчики антенн и устройств СВЧ используют специализированные системы электродинамического проектирования. В основе работы подобных программных продуктов лежит численное решение уравнений Максвелла в интегральной или дифференциальной форме. Основополагающий метод решения, несомненно,

влияет на эффективность и точность, с которыми могут быть смоделированы те или иные высокочастотные компоненты и устройства.

Учебное пособие состоит из семи разделов. Первый раздел даёт общее представление и пользовательском интерфейсе программы. Во втором разделе описаны основные инструменты для создания модели устройства и настройках программы. Последующие разделы посвящены расчёту антенн и устройств СВЧ, в которых приведены возможности постобработки результатов, которые дают наглядное понимание о работе устройства и распространению электромагнитных полей в нем.

Цель учебного пособия – дать студентам основные понятия из области моделирования техники антенн и устройств СВЧ, помочь овладеть основными инструментами расчёта и принципами построения антенных систем.

Современный радиоспециалист должен ориентироваться в этих вопросах,

должен знать возможности современных систем электродинамического моделирования, а в конкретной ситуации суметь правильно создать модель,

1. Введение в CST Microwave Studio

1.1. О программе

CST Microwave Studio является одним из пакетов программ от CST Studio

CST MICROWAVE STUDIO является программой для трёхмерного электромагнитного моделирования от волноводов и антенн до оптических элементов. Программа позволяет решить задачу несколькими методами и даёт высокую точность расчёта. Диапазон длин волн, в котором программа наиболее эффективно работает – от коротковолонового до нанометрового;

CST EM STUDIO представляет инструмент анализа и проектирования статических и низкочастотных структур. Области применения включают в себя: соленоиды, трансформаторы, задачи электромагнитной совместимости,

генераторы, электромеханические измерительные головки, моторы, датчики и экранирующие конструкции. Имеется возможность анализа электро- и

магнитостатических полей, вихревых и поверхностных токов;

CST PARTICLE STUDIO является пакетом для проектирования и анализа трехмерных электронных пушек, катодных лучевых трубок, магнетронов.

Он включает несколько программных продуктов CST STUDIO,

моделирующих движущие носители зарядов, а также учитывает температурные процессы;

CST PCB STUDIO – пакет для исследования распространения радиосигналов в печатных платах, в том числе решая задачи электромагнитной совместимости (EMC) и электромагнитных помех (EMI);

CST CABLE STUDIO предназначена для анализа трассировки, влияний и совместимости связанных линий, включая коаксиальные кабели, одиночные провода, витые пары и сложные совокупности кабелей;

CST MPHYSICS STUDIO – специализированный пакет для термодинамического и механического моделирования;

CST CABLE STUDIO – специализированный пакет для моделирования электромагнитных эффектов в кабелях, позволяющий оптимизировать вес и размер одиночных проводов, витых пар, а также сложных жгутов с неограниченным числом проводников. Программа позволяет оценивать напряжения в разных точках кабелей, токи через определённые проводники, S-параметры, импедансы, а также взаимные наводки проводников друг на друга.

CST BOARDCHECK – специализированный пакет, позволяющий выполнять импорт проектов печатных плат из различных системах проектирования, и

выявлять в них возможные проблемы электромагнитной совместимости по набору заданных ограничений.

CST DESIGN STUDIO – это универсальная платформа для управления всем процессом разработки сложной системы, начиная с электрических компонент и заканчивая радиосистемой. Она позволят проводить косимуляцию проекта, рассчитанного всеми пакетами CST Studio.

В основе программы CST Microwave Studio лежит разработанный компанией CST метод аппроксимации для идеальных граничных условий

(PBA), удачно дополняющий хорошо зарекомендовавший себя метод определённых интегралов (FI), работающий 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.

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.

Основные характеристики пакета CST Microwave Studio :

расчёт S-параметров в широком диапазоне частот;

мощный встроенный язык написания макросов VBA, поддержка технологии связывания и встраивания объектов (OLE);

быстрое и точное решение во временной области, полученное с помощью метода определённых интегралов;

значительное увеличение производительности благодаря использованию метода аппроксимации для идеальных граничных условий (PBA);

построение анализируемой структуры на базе ACIS;

импорт и экспорт структур в форматах SAT, IGET и STL;

различные режимы возбуждения структуры с помощью внешних и внутренних портов;

расчёт собственных мод портов;

автоматический расчёт импедансов портов;

анимационное отображение полей;

отображение полученных результатов по мере выполнения расчёта4

мощный оптимизатор;

Расчёты поля антенн в дальней зоне (двух- и трёхмерное представление поля, усиление, расчёт угловой ширины основного и боковых лепестков диаграммы направленности).

1.2. Основные действия и настройки для создания CAD модели

При открытии программа CST Studio Suite (рис. 1) позволяет выбрать два варианта запуска необходимого пакета:

Рисунок 1. Интерфейс программы CST Studio Suite

1. Воспользоваться мастером конфигурации. Для этого необходимо выбрать

Create Project (см. рис.2) и, следуя подсказкам, можно задать предустановки и выбрать наиболее подходящий метод расчёта.

Рисунок 2. Окно мастера конфигурации

2. Либо выбрать модуль CST Microwave Studio.

Основной интерфейс программы состоит из нескольких окон:

1. Navigation Tree – дерево проекта;

2. Ribbon – элементы управления;

3. Drawing Plan – окно отображения CAD модели или результатов расчёта;

4. Parameter list – окно параметров объектов;

5. Massages and progress – окно сообщений.

На рисунке 3 представлено изображение главного окна CST Microwave Studio.

Рисунок 3. Интерфейс программы CST Microwave Studio

Как можно заметить, интерфейс CST Microwave Studio (MWS) не отличается от интерфейсов любых других CAD программ, с помощью которых можно создавать 3D-модели объектов.

Элементы управления разбиты на тематические вкладки (рис. 4), для последовательного управления всем интерфейсом программы.