Области применения HFSS и EMIT Design

Работа с виртуальными моделями взамен дорогостоящих натурных экспериментов имеет четкую экономическую обоснованность. HFSS применяется для решения целого ряда задач из области электродинамики:

• расчет трехмерного электромагнитного поля различных антенных систем: автомобильных радаров, средств мобильной связи;
• решение задач интерференции электромагнитного поля и взаимных влияний;
• расчет диаграмм рассеяния (RCS – Radar Cross Section) для крупных объектов, таких как самолеты и другие транспортные средства. Расчет RCS производится с целью минимизации обнаружения объектов радаром, либо для получения типовых диаграмм рассеяния.
• прогнозирование электромагнитных помех, сигнальных трактов и электропитания;
• междисциплинарные задачи: модуль HFSS может быть связан с ANSYS Mechanical и ANSYS DesignXplorer для выполнения междисциплинарного анализа и изучения возможностей оптимизации изделия.
• и т.д.

HFSS – инструмент для трехмерного моделирования ВЧ/СВЧ электромагнитных полей. На рисунке, приведенном ниже, представлен пример построения диаграммы направленности прямоугольной микрополосковой антенны GPS, установленной на крыше автомобиля в области открывания люка:

Электромагнитный пакет ANSYS HFSS позволяет решать электродинамические задачи, рассчитывать поля, токи, S-­параметры и характеристики излучение высокочастотных электроманитных волн. Процесс расчета полностью автоматизирован, пользователю необходимо задать геометрические параметры, свойства материалов и желаемый результат. HFSS автоматически строит сетку модели, соответствующую конкретной задаче. Также возможно решение задач расчета радиочастотных микроволновых устройств, исследование электромагнитной совместимости, например, при разработке высокочастотных компонентов, применяемых в принимающих и передающих частях коммуникационных систем, радиолокационных системах, спутниках и сотовых телефонах. Кроме того, HFSS используется для расчета электромагнитного взаимодействия между антенными портами, линиями электропередач, переходными отверстиями печатных плат, а также для расчета высокоскоростных компонентов компьютерных серверов, устройствах хранения данных, мультимедийных персональных компьютерах, развлекательных и телекоммуникационных системах.

Для решения уравнений электродинамики в HFSS может применяться метод конечных элементов (Finite Element Method, FEM), включающий адаптивную генерацию и деление ячеек. Решения для электромагнитного поля, полученные из уравнений Максвелла, позволяют точно определить все характеристики СВЧ­устройства, учитывая возникновение и преобразование одних типов волн в другие, потери в материалах и на излучение и так далее.

Проектирование с применением HFSS обеспечивает высокую точность расчетов; характеристики, полученные при моделировании, совпадают с физически измеренными. Однако для получения достоверных результатов нужно выбрать правильные параметры расчета. Это касается правильного построения геометрической модели, точной настройки свойств материалов анализируемой структуры, выбора машинных ресурсов, от возможностей которых зависит, насколько мелко можно дробить пространство на элементы декомпозиции, а также насколько быстро машина может решить задачу методом адаптивного сетчатого уплотнения. Также для успешного выполнения расчета важно, чтобы количество анализируемых мод в сложных элементах устройства было разумным и выбрано правильно.
В мобильной связи пятого поколения антенные системы и всевозможные датчики являются ключевым компонентом, обеспечивающим взаимодействие между устройствами. Они же обеспечивают передачу данных и обнаружение препятствий в беспилотных транспортных средствах. Поэтому важно учитывать взаимодействие различных антенных систем, работающих в реальных условиях. Именно для этого предназначен продукт ANSYS EMIT, который интегрируется в HFSS и позволяет производить анализ антенны в условиях, приближенным к реальным. В продукте EMIT можно учесть влияние других радиосистем и решать задачи электромагнитной совместимости.

Так, например, можно рассчитать запас мощности между базовой станцией и абонентским устройством. Настраивать параметры передачи антенн и устанавливать связь между ними. 
В результате решения задачи в EMIT можно получить полные данные о работе устройства в средах с несколькими передатчиками и приемниками различных систем связи. Таким образом, EMIT позволяет спрогнозировать влияние электромагнитных помех на устройство и проанализировать его при одновременной работе нескольких высокочастотных систем на транспортных средствах и объектах.
Также возможен анализ электромагнитной совместимости Wi-Fi, LTE и GPS антенн, объединенных в одном корпусе. Общеизвестным фактом является то, что задача радиодиагностики системы в сложных средах крайне дорога в выполнении и требует соблюдения условий электромагнитной обстановки, сложно реализуемой на практике. Как правило, для проведения измерений требуются дорогостоящие безэховые камеры и измерительное оборудование. Не говоря уже о необходимости создания в таких камерах условий, близких к реальным.

EMIT представляет собой мощный и современный пакет электромагнитного моделирования с удобным графическим интерфейсом и возможностью проведения анализа на различных уровнях. Применение данной программы позволит быстро оценить электромагнитную совместимость системы в целом, а также отдельных устройств и легко устранить потенциальные проблемы еще на этапе проектирования.
Таким образом, EMIT подходит для анализа систем, которые должны работать совместно, без помех и при условии минимального взаимного влияния. Подобные системы крайне распространены в областях связи, радиолокации, навигации и связи.

Для демонстрации возможностей программного пакета проведем моделирование взаимных влияний на вертолете «Апач» (AH-64 Apache), предоставленном в эталонных моделях. На нем установлено девять антенн, использующих семь разных радиочастотных систем. Необходимо убедиться, что системы не создают радиочастотных помех друг другу. Для этого, проанализируем сценарий разнесения с использованием EMIT в ANSYS Electronics. Внешний вид модели вертолета в среде моделирования приведен в рисунке ниже:

На вертолете расположены следующие антенные модули:

• VHF-1 Low, антенна УВЧ диапазона малой мощности;
• VHF-2 High, антенна УВЧ диапазона большой мощности
• UHF, антенна СВЧ диапазона;
• IFF (Low), система «свой-чужой»;
• IFF (Up), система «свой-чужой»;
• Radar Warning Rx, приемник системы радар-предупреждение;
• Radar Altimeter (Tx), передатчик для высотометра;
• Radar Altimeter (Rx), приемник для высотометра;
• GPS, система геопозиционирования.

Важной частью анализа взаимных помех является наличие данных о частотах функционирования антенн и диаграмм направленности, что можно получить с помощью моделирования в HFSS. Затем, расчетная модель антенны может быть связана с моделью вертолета. В программной среде существует специальный инструмент «Coupling Editor», позволяющий детально демонстрировать взаимные помехи между различными радиочастотными элементами системы. Если это необходимо, анализ производится автоматически. Выбрав соответствующую ячейку из матрицы излучателей, можно посмотреть график помех прямо в редакторе:

Все радиосистемы, которые присутствуют на модели, являются компонентами пакета EMIT, и построены на основе доступных в нем библиотек. В эти библиотеки входят, усилители, модуляторы, антенны, кабели, сумматоры, разделители, фильтры, мультиплексоры, излучатели, микшеры и многое другое. Схематичное представление каждой радиосистемы можно рассмотреть подробнее в виде блоксхем, а также изменить в схемном редакторе:

Отдельно следует отметить, что решение проблем с помехами можно производить сразу же после расчетов, применяя необходимые фильтры в редакторе. Но, прежде чем рассмотреть это решение, можно изучить, есть ли еще большие помехи, которые также необходимо устранить. Для этого используется окно Result Categorization.  Это окно позволяет пользователю применять различные типы «фильтров» к результатам (которые сделаны после обработки). Таким образом, можно устранить проблему, которая связана с конкретным явлением.
Результаты анализа могут занять длительное время, они отобразятся в окне «Analysis & Results». В этом окне находится уже известная ранее матрица радиосистем, только теперь квадраты окрашены в зависимости от того какой уровень помех обнаружен. По умолчанию красные квадраты обозначают интерференцию сигналов, желтые – отсутствие интерференции с небольшим запасом, а зеленые – отсутствие интерференции с существенным запасом:

Результаты проведенных вычислений в проекте отображаются в виде графика сходимости. По этому графику можно определить, после какого расчетного прохода был получен результат, удовлетворяющий входным условиям:

111