Simularea Unui Ghid de Unda Dreptunghiular cu Softul Hfss

Cap. 3. SIMULAREA UNUI GHID DE UNDĂ DREPTUNGHIULAR

CU SOFTUL HFSS

Pachetul de programe Ansoft – HFSS (High Frequency Structure Simulator) este un soft interactiv ce permite determinarea câmpului electromagnetic în interiorul unor structuri pasive la frecvențe înalte. Softul include comenzi de post-procesare utile pentru a analiza în detaliu funcționarea structurilor considerate. Astfel, folosind algoritmi bazați pe elemente finite, Ansoft – HFSS permite calcularea și vizualizarea unor mărimi ca:

– mărimi de bază ale câmpului electromagnetic, iar pentru probleme cu frontieră deschisă se determină câmpurile radiate și reflectate;

– impedanțe caracteristice ale porturilor și constantele de propagare;

– parametri S generalizați precum și parametrii S renormalizați pentru diferite impedanțe ale porturilor;

– frecvențele de rezonanță sau intervalul de frecvențe pentru o structură dată, [14].

Transmiterea undelor electromagnetice de la magnetron la cavitate se face, în general, prin intermediul unui ghid de undă dreptunghiular. Acesta are formă paralelipipedică, și este realizat din pereți de aluminiu este excitat de un magnetron.

Obiectivele acestei simulări:

Deprinderea noțiunilor de bază cu privire la utilizarea softului HFSS.

Utilizând HFSS, simulăm un ghid de undă WR-90 umplut cu aer.

Vom obține modurile de propagare a câmpului electromagnetic, impedanța intrinsecă și lungimea de undă pentru primele patru moduri.

Analiză impusă:

1. Măsurăm frecvența în intervalul 4-20 GHz

2. Analiza trebuie să includă primele 3 moduri de propagare (TE10, TE20, TE30)

Dimensiuni geometrice și de material:

– dimensiunile ghidului de undă a = 22,86 mm, b = 10,16 mm;

– permitivitatea relativă a aerului r = 1.

Figura. 3.1. Geometria ghidului de undă

Rezultate și cerințe impuse:

1. Aplicația trebuie să includă titlul, obiective, analiza/discuții, rezultate și concluzii

2. Aplicația va include toate graficele relevante și rezultatele obtinute din HFSS

3. Vom explicăm și discuta rezultatele pentru fiecare modul folosind expresii relevante

4. Comparăm rezultatele β, λ, η cu cele obținute folosind expresii corespunzătoare teoretice

5. Considerăm porturile pe cele două fețe, față și spate, a ghidului de undă

6. Lungimea ghidului de undă este de câteva lungimi de undă

3. Adaptăm rețeaua prima dată la 15 GHz, apoi impunem delta S 0.025 la maxim și folosim 5 pași de discretizare (s-ar putea să fie nevoie de mai mult dacă criteriul delta S nu este împlinit)

4. Selectăm Discrete Simulation, folosind aproximativ 8 pași pentru a genera un grafic corespunzător

5. Efectuăm o soluție ‘Ports Only’ și folosim ‘Post Process, Matrix Data’ din fereastra de execuție pentru a vizualiza soluția, pentru a determina constantele de propagare și lungimea de undă

6. Utilizăm Post Procesorul, pentru a vizualiza distribțuiile câmpurile electromagnetic din interiorul ghidului de undă pentru diferite moduri de propagare.

Deschidem aplicația Ansoft HFSS

Facem click pe butonul Microsoft Start, selectăm Programs și selectăm Ansoft>HFSS(var.X)>HFSS(var:X) sau facem dublu click pe iconița HFSS de pe desktop (figura 3.2)

Crearea de proiecte:

În meniul File, facem click pe New. Putem specifica numele proiectului atunci când îl salvăm utilizând File> Save sau File >Save as.

Figura 3.2. Pormim aplicația

Organigrama programului Ansoft–HFSS este prezentată în figura 3.3.

Figura 3.3. Organigrama Ansoft HFSS

Dacă deschidem un proiect anterior salvat folosim comanda File>Open. Imaginea proiectului existent, Ansoft Desktop este prezentată în figura 3.4.

Figura 3.4. Imaginea unui proiect existent, Ansoft Desktop

Figura 3.5. Fereastra Project Manager

Pentru a crea o geometrie în HFSS, urmăm această procedură generală. Reținem că după ce inserăm un desen, nu avem nevoie să efectuăm pașii secvențial, dar acestea trebuie să fie finalizată înainte ca o soluție să poată fi generată.

3.1. Creem geometria proiectului impus, în HFSS

1) În meniul Proiect, facem click pe inserare HFSS Desen. Noul desen este listat în arborele proiectului. Este numit HFSS Design n în mod implicit, unde n este ordinea în care a fost adăugat desenul în proiect. Fereastra 3D Modeler apare în dreptul de Manager de Proiect. Acum putem crea geometria modelului

3.2. Selectăm tipul soluției

Înainte de a desena modelul, specificăm tipul de soluție de proiectare.

1. În meniul HFSS, facem click pe Solution Type. Apare caseta de dialog:

2. Selectăm Driven Modal în tipuri de soluție.

Vom selecta Driven Modal, pentru calcularea modului bazat pe parametrii S, structuri pasive de înaltă frecvență, cum ar fi microbenzi, ghiduri de undă și liniile de transport.

3.3. Selectăm unitățile de măsură a modelului

Putem alege apoi pentru afișarea dimensiunilor modelului în noile unități de măsură sau redimensionarea modelului către noua unitate.

1. În meniul 3D Modeler, facem click pe Unități. Apare caseta de dialog Set Model Units

2. Selectăm noile unități de măsură prin butonul Select Units din lista derulantă.

Putem selecta Rescale to new units (redimensionarea în unități de măsură noi) pentru a redimensiona dimensiunile noi unități (lipsa) pentru a transforma dimensiunile la noua unitate fără a schimba dimensiunea lor.

3. Facem click pe OK pentru a aplica noile unități de măsură la model.

3.4. Desenăm geometria

Putem crea obiecte 3D cu ajutorul comenzilor HFSS Draw. Obiectele sunt desenate în fereastra 3D Modeler. Pentru a desena un ghid de undă WR-90 de formă dreptunghiulară, urmăm pașii:

– În meniul HFSS, facem click pe Draw. Apare caseta de Desenare. Selectăm Box

2. Dimensiunea cutiei poate fi specificată în timpul desenării cutiei. În capătul de jos a ecranului din dreapt sunt coordonatele

3. Introducem coordonatele inițiale XYZ și apoi introducem lungimea în XY și Z în dx, dy și dz. De exemplu pentru a desena o cutie cu punctul inițial să fie origine și propagare de-a lungul axei x. Deoarece avem ghidul de undă dreptunghiulară WR-90 cu dimensiunile a=2.286 cm, b=1.016 cm.

Odată desenată cutia proprietățile ferestrei se deschid, aici putem să specificăm și coordonatele și mărimea cutiei.

Proprietățile ferestrei pot fi obținute prin:

3.5. Atribuim proprietățile de material

1. Facem click dreapta pe fereastra 3D Modeler pentru a obține meniul 3D Modeler

2. În meniul 3D Modeler, facem click pe Assign Material

3. Apare fereastra ‘Select Definition’. Din absență se listează toate materialele în biblioteca de material globale Ansoft precum și librăria proiectelor de material locale

4. Selectăm un material din listă. Selectăm Aer sau Vacuum pentru întreaga cutie deoarece ghidul nostru de undă dreptunghiular nu este umplut cu nici un dielectric.

5. Facem click pe OK.

6. Materialul ales este alocat la obiect.

3.6. Atribuim condițiile de frontieră

Condițiile de frontieră precizează comportamentul domeniului la marginile regiunii problemei și interfețele obiectului.

1. Click dreapta pe fereastra 3D Modeler pentru a selecta fețele

2. Facem click pe fețe pentru a selecta fețele care urmează să fie desenate pentru a fi un conductor perfect.

3. În meniul HFSS, facem click pe Boundaries. Selectăm Assign și alegem Finite Conductivity.

Atribuim Finite Conductivity la 4 fețe excluzând Port 1 și Port 2. Selectăm fețele.

3.7. Atribuim porturile și liniile de integrare

Porturile în HFSS sunt utilizate pentru a specifica sursele de excitație a câmpului electromagnetic și încărcăturile, curenți sau tensiunile pe obiecte sau suprafețe. Atribuirea porturilor este un proces în 2 etape:

Atribuirea porturilor

1. Selectăm fața obiectului la care dorim să asociem portul

2. Facem click pe HFSS >Simulare >Atribuire> Port Wave

Portul wave reprezintă suprafața prin care un semnal intră sau iese din geometrie. Astfel este necesar ca să avem 2 porturi și să presupunem că fiecare port de undă pe care îl definește este conectat la un ghid de undă lung până la semiinfinit care are aceeașși secțiune de întâlnire și proprietățile materialului ca și portul. HFSS generează o soluție prin stimularea fiecărei port de undă individual.

3. Apare Wave Port wizard.

4. Tastăm numele portului în caseta de text Name sau acceptăm numele implicit, apoi dăm click pe Next.

5. Pentru a specifica mai multe moduri de a analiza în port, tastăm o nouă valoare în caseta Număr de Moduri și apoi facem click pe Update. Modul de calcul tabelar este actualizat pentru a include numărul total de moduri

b) Definim Linia de Integrare

O linie de integrare trebuie să fie specificată pentru a defini un mod de port. Deoarece noi analizăm ghidul de undă WR-90 pentru primele 4 moduri trebuie să specificăm 4 linii de integrare.

1. Selectăm New Line din lista Integrarea Linie.

2. Caseta de dialog dispare în timp ce desenăm vectorul

3.

4. Selectăm punctul de pornire a vectorului într-unul din următoarele moduri

4.a. Facem click pe punct sau tastăm coordonatele punctelor X,Y,Z în capătul de jos a ecranului.

5. Selectăm punctul de sfârșit a vectorului folosind mouse-ul sau tastatura. Obiectivul definește direcția și lungimea liniei de integrare.

6. Reapare Wave Port sau Lumped Port

3.8. Configurăm tipul soluției

a. Adaptăm configurarea soluției

b. Selectăm Frecvența

Adaptarea soluiței setup:

În meniul HFSS, indicăm Setup Analysis, apoi facem click pe Add Solution Setup

2. Apare soluția casetei de dialog. Aceasta este împărțită între următoarele rânduri:

General – include soluțiile generale ale setărilor

Avansate – include setările avansate pentru generarea de rețea inițială și analiză adaptată.

Porturi – (în cazul în care un proiect a fost definit) Include opțiuni de generare a rețelei pentru portueile model.

Deficite – ne permite să salvăm setările curente ca lipsă pentru setările soluției viitoare sau transformăm setările curente la setările standard HFSS-lui.

3. Facem click pe fila General.

3.a. Pentru tipuri de soluții acționate efectuați următoarele:

1. Introducem Frecvența Soluției în unități de frecvență. Valoarea minimă pentru adaptiv Mesh Frecvența este a doua sau a treia din frecvența finală necesară. Deși este recomandat să se adapteze doar la frecvența finală.

Deoarece noi analizăm primele 4 moduri din ghidul de undă WR-90 frecvența Cut-Off a ultimului model este de 16 GHz. Prin urmare Frecvența Finală este o valoare, care este mai mare decât asta. De exemplu 20 GHz.

2. Introducem Numărul Maxim de Permise=10. Numărul maxim de valoare de permise este numărul maxim de cicluri de subtilitate de rețea pe care ai vrea ca HFSS să le efectueze. Această valoare este un criteriu de oprire pentru soluția de adaptare; dacă numărul maxim de treceri a fost finalizat analiza adaptivă va continua cu condiția ca criteriile de convergență să fie atinse.

3. Introducem Delta S=.002. Delta S este schimbarea parametrilor S între două treceri consecutive.

4. Click pe OK.

Frecvența Sweep setup

1. În meniul HFSS selectați Analiza Setup și apoi selectați Add sweep

SELECTARE

2. Editare Sweep deschide caseta de dialog

3. Selectați Dicrete și introduceți Frecvența Start și frecvența Stop.

Deoarece analizăm primele patru moduri de ghid de undă WR-90 ultima frecvență de întrerupere de modul este 16 GHz. Prin urmare Frecvența Stop este o valoare care este mai mare decât asta. De exemplu 20 GHz.

4. Click pe OK.

3.9. Rularea simulării

Pentru a valida modelul dumneavoastră

1. Selectați meniul HFSS > validare

2. Click pe OK.

Pentru Analiză

1. În meniul HFSS, faceți click pe Analiză

În timp ce o simulare rulează puteți monitoriza progresul soluției în fereastra Progress.

Puteți vedea, de asemenea următoarele date, soluții în orice moment.

Date de convergență- printr-un click HFSS>Analiza Setup>Convergență.

Matrice calculată pentru parametrii S, impedanțe și constante de propagare

HFSS > Analiza Configurare > Profil

Odată ce simularea este completată HFSS vă informează printr-o fereastră de mesaj.

Rezultate

HFSS > Results > Solution Data. Apare fereastra de soluție a datelor

HFSS calculează datele următoarelor matrici

S, Y, și parametrii Z

VSWR

Excitație: – Gamma și Zo

Trasarea rezultatelor

HFSS > Rezultate > Fereastra Raport

Sau putem merge, de asemenea la arborele de proiect și facem click dreapta pe rezultatele și facem click pe fereastra raport.

Apare fereastra de creare raport

1. Selectăm tipul de raport pe care dorim să-l vizualizăm în partea de sus a casetei de dialog.

2. Selectăm tipul de schiță pe care dorim să-l creăm, de la tipul de afișare tragem jos lista.

3. Facem click pe OK.

Apare caseta de dialog Traces

4. În lista de Solution, facem click pe soluția care conține datele pe care dorim să le reprezentăm grafic.

5. În lista de domeniu, facem click pe un domeniu. Pentru rapoartele modale și terminale parametii S, domeniul poate fi frecvența sau timpul. În acest caz, vrem domeniul de frecvență.

6. Facem click pe Add Trace, click pe Done

3.10. Analizăm rezultatele

1. Analizăm constantele de propagare pentru primele 4 moduri

2. Determinăm lungimea de undă la frecvențe diferite pentru primele patru moduri

3. Determinăm impedanța intrinsecă la frecvențe diferite pentru primele 4 moduri

4. Analizam E și H modele de egalitate pentru primele 4 moduri.

Reprezentarea grafică a propagării constantei vs. frecvența pentru TE10, TE20, TE01, TE și TM11 folosind HFSS.

Reprezentarea grafică a propagării constantei vs. frecvența pentru primele 4 moduri folosind valori teoretice.

Similar poate desena o reprezentare grafică pentru lungimile de undă vs. frecvența și impedanță vs. frecvența din valorile date în cutia de date de soluții.

1. În arborele de proiect, facem click dreapta pe setup soluție de interes, apoi facem click pe Matrix Data pe meniul shortcut. Apare caseta de dialog Soluția de Date. Fila Matrix Data este selectată.

2. Simularea în lista derulantă, facem click pe setup soluție și permisul rezolvat, soluție unică de frecvență sau rotirea de frecvență – pe care vrei să vezi matricea.

3. Selectăm tipul de matrice pe care dorim să îl vedem: S, Y, Z matrici sau Z0 (impedanța caracteristică). Datele lungimi de undă este afișată atunci când bifăm caseta de gama. Tipurile disponibile depend de tipul soluției.

4. Selectăm formatul – Magnitudine/Faza, Real/Imaginar, dB/Faza, Magnitudine, Faza,Real, Imaginar sau db – în care pentru a afișa informațiile matrice.

Formatele disponibile depind de tipul de matrice afișat

Fereastra cu soluția de date

Modurile de propagare pentru campurile E și H

În arborele de proiect facem click pe Port Field Display >wave port 1>mode 1

Modurile TE10 vor fi afișate în model

În mod similar click pe Modul 2, Modul 3 și Modul 4

TE20

TE01

TE, TM11

Pentru a vizualiza domeniul modurilor E și H selectăm fața pentru care dorim să vizualizăm domeniul model. Facem click pe meniul HFSS> Fields>Plot Fields > Mag_E

Pentru domeniul corespunzător câmpului H facem click pe Fields>Plot Fields > Mag_H.

Apare caseta Create Field Plot: selectăm Mag_E în conformitate cu cantitatea și numele modelului în conformitate cu volumul sau putem să selectăm toate obiectele.

Distributia câmplului E în ghid [V/m]

Culorile indică intensitatea câmpului în scădere de sus în jos.

Distributia câmplului H în ghid [A/m]