Асимптотические методы электродинамики

 
Грибанов А.Н., Кузнецов И.А., Курушин А.А. 
 
 
 
 
АСИМПТОТИЧЕСКИЕ 
МЕТОДЫ 
ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
СОЛОН-Пресс 
Москва  
2020  
 
 

УДК 621.396.44 
ББК 32.850.4 
         Г82 
 
 
Рецензенты  
д.т.н. Банков С.Е., д.т.н. Коган Б.Л. 
 
 
Грибанов А.Н., Кузнецов И.А., Курушин А.А.  
Г82  
Асимптотические методы электродинамики. — М.: СОЛОНПресс, 2020, 336 с. 
 
ISBN 978-5-91359-398-6 
 
Методы геометрической и физической оптики, а также равномерной 
теории дифракции позволяют расширить возможности тестовой 
электродинамической системы ANSYS HFSS при моделировании 
антенных систем, размеры которых составляют десятки и сотни длин 
волн. Несколько программ было добавлено в систему ANSYS, в том 
числе программы Savant, EMIT и др. Предлагаемое учебное пособие 
предназначено для начальных шагов освоения программы студентами и 
специалистами СВЧ. Может служить хорошим дополнением к уже 
опубликованным книгам, посвященным САПР СВЧ. 
 
УДК 621.396.44 
 
 
 
По вопросам приобретения обращаться: 
ООО «СОЛОН-Пресс» 
Тел: (495) 617-39-64, (495) 617-39-65 
E-mail: kniga@solon-press.ru, www.solon-press.ru 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-91359-398-6 
” СОЛОН-Пресс, 2020 
 
© Грибанов А.Н.,  
 
© Кузнецов И.А.,  
 
© Курушин А.А. 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
1 Введение ................................................................................................................ 7 
 Исходные данные для программы Savant 
.................................................... 8 
1.1
 Результаты расчета Savant 
............................................................................. 9 
1.2
 Savant с графической картой 
....................................................................... 10 
1.3
 Интерфейс программы 
................................................................................. 11 
1.4
 Организация дерева проекта ....................................................................... 15 
1.5
 Перевод информации и данных между узлами 
......................................... 16 
1.6
 Панели свойств узлов и действий 
............................................................... 18 
1.7
 Общие свойства узлов.................................................................................. 19 
1.8
 Действия с моделями CAD 
.......................................................................... 22 
1.9
 Панель свойств CAD модели .................................................................... 24 
1.10
 Узел параметрических моделей 
................................................................ 28 
1.11
 Опции сетки для сфер и эллипсоидов 
...................................................... 42 
1.12
 Узел покрытия ............................................................................................ 43 
1.13
2 Теория Savant ...................................................................................................... 53 
 Метод падающих и отраженных лучей 
...................................................... 53 
2.1
 Падающие и рассеянные поля 
..................................................................... 53 
2.2
 Фазовое соотношение лучей ....................................................................... 54 
2.3
 SBR в определенных ограничениях ........................................................... 54 
2.4
 Физическая и геометрическая теории дифракции 
.................................... 55 
2.5
 Алгоритм SBR .............................................................................................. 58 
2.6
 Моделирование источника лучей (антенна Tx) ........................................ 60 
2.7
 Нормализация и масштабирование мощности 
.......................................... 62 
2.8
 Покрытие поверхности материалом 
........................................................... 64 
2.9
 Таблица коэффициентов отражения-передачи ....................................... 67 
2.10
 Коррекция сходимости лучей на искривленной поверхности .............. 70 
2.11
 Коррекция клиньев ФТД ........................................................................... 71 
2.12
 Лучи дифракции на ребрах в ОТД 
............................................................ 73 
2.13
 Моделирование методом SBR ползучих  волн ....................................... 74 
2.14
 Узлы Wedges ............................................................................................... 76 
2.15
 Панель свойств ребер 
................................................................................. 80 
2.16
3 Базовые операции  Savant .................................................................................. 83 
 Начало моделирования ................................................................................ 83 
3.1
 Изменение угла просмотра модели ............................................................ 86 
3.2
 Переименование узла 
................................................................................... 87 
3.3
 Добавление короткой дипольной антенны  к сцене проекта 
................... 88 
3.4
 Установка метода расчета и частоты ......................................................... 96 
3.5
 Запуск моделирования и вывод результатов расчета 
............................... 98 
3.6
4 Источники тока. Нанесение на график и импорт результатов .................... 106 
 Загрузка выполненного примера 1 ........................................................... 107 
4.1
 Распределение тока  в монопольной проволочной антенне .................. 108 
4.2
 Добавление и конфигурирование встроенной монопольной антенны 
. 112 
4.3
 Проверка встроенной монопольной антенны ......................................... 113 
4.4
3 

 Перезапуск моделирования и нанесение результатов на график 
.......... 117 
4.5
 Проверка источников тока используемых в моделировании ................ 119 
4.6
 Нанесение на график результатов моделирования 
................................. 123 
4.7
 Экспорт графика в виде файла 
.................................................................. 129 
4.8
 Импорт результатов  из примера 1 и сравнение его с полученными 
4.9
результатами ..................................................................................................... 129 
 Изменение параметров  для создания  многомерных графиков 
.......... 133 
4.10
 Создание полярного графика .................................................................. 136 
4.11
5 Антенны на мобильных платформах 
.............................................................. 137 
 Добавление другой плоскости в проект 
................................................... 139 
5.1
 Модификация свойств модели CAD ........................................................ 140 
5.2
 Группирование моделей CAD 
................................................................... 145 
5.3
 Добавление антенны к сцене 
..................................................................... 147 
5.4
 Запуск и просмотр лучей ........................................................................... 149 
5.5
 Установка и запуск моделирования, вывод и показ результатов 
.......... 150 
5.6
 Добавление в проект модели  самолета ................................................... 152 
5.7
 Группировка моделей  CAD и добавление антенны к сцене 
................. 154 
5.8
 Запуск на расчет и сравнение результатов .............................................. 157 
5.9
6 Распределение ближнего поля и визуализация лучей в материалах 
........... 162 
 Загрузка модели окружающего пространства 
......................................... 163 
6.1
 Материал среды пространства антенны 
................................................... 165 
6.2
 Загрузка ДН рупорной антенны 
................................................................ 169 
6.3
 Определение сетки точек пространственного наблюдения 
................... 172 
6.4
 Рабочая частота и  метод расчета ............................................................. 174 
6.5
 Запуск моделирования и вывод результатов расчета 
............................. 175 
6.6
 Создание картины лучей и применение фильтров лучей ...................... 179 
6.7
 Применение фильтров SBR для просмотра лучей 
.................................. 182 
6.8
 Использование плоскости сечения  для просмотра интерьера области 
6.9
анализа 
............................................................................................................... 190 
7 Электромагнитная совместимость 
.................................................................. 192 
 Загрузка модели самолета E-2C, состоящей из фасок 
............................ 193 
7.1
 Задание свойств материала покрытия 
...................................................... 195 
7.2
 Загрузка широкополосного источника антенны для монопольной 
7.3
антенны и размещение его на корпусе E-2C ................................................. 201 
 Внесение антенны на поверхность самолета........................................... 204 
7.4
 Загрузка широкополосной ДН рупорной антенны и размещение ее в 
7.5
пространстве E-2C 
............................................................................................ 207 
 Выбор установок на анализ 
....................................................................... 209 
7.6
 Запуск на расчет и вывод результатов на график ................................... 210 
7.7
8 Коррекция расхождения лучей 
........................................................................ 214 
 Запуск проекта для фасетной модели CAD ............................................. 215 
8.1
 Сравнение результатов .............................................................................. 216 
8.2
 Перезапуск результатов с выделением искривления поверхности 
....... 222 
8.3
9 Моделирование волн соскальзываения .......................................................... 224 
 Установки проекта с волнами соскальзывания 
....................................... 224 
9.1
4 

 Визуализация волн соскальзывания 
......................................................... 226 
9.2
 Представление и моделирование с учетом волн соскальзывания ........ 230 
9.3
 Сравнение результатов полученных методом SBR ................................ 231 
9.4
10 Антенные решетки 
.......................................................................................... 232 
 Добавление прямоугольной антенной решетки к сцене ...................... 232 
10.1
 Задание возбуждения элементов антенной решетки 
............................ 236 
10.2
 Установка расчетной частоты решетки ................................................. 238 
10.3
 Реконфигурация расположения элементов антенной решетки для 
10.4
сохранения разностной ДН ............................................................................. 240 
 Антенная решетка над земляной платой ............................................... 242 
10.5
 Конфигурация области углов дальнего поля и установки на расчет 
10.6
антенной решетки 
............................................................................................. 244 
 Запуск моделирования и вывод результатов 
......................................... 246 
10.7
11 Моделирование антенны на корабле методом теории дифракции 
............ 250 
 Создание CAD модели состоящей из двух PEC плат 
........................... 250 
11.1
 Размещение монопольной антенны сверху платы 
................................ 255 
11.2
 Ручная настройка клиньев в модели CAD 
............................................. 257 
11.3
 Запуск моделирования и сравнение с результатами полно-волнового 
11.4
электродинамического расчета. 
...................................................................... 261 
 Запуск моделирования с лучами UTD, и вывод результатов .............. 266 
11.5
 Визуализация лучей UTD ........................................................................ 269 
11.6
 Исследование свойств лучей UTD на модели корабля ........................ 272 
11.7
 Задание параметров расчета без лучей UTD ......................................... 275 
11.8
 Запуск расчета с включенными лучами UTD. ...................................... 277 
11.9
12 Импорт ближнего поля антенны ................................................................... 285 
 Загрузка и экспорт проекта в Savant ...................................................... 292 
12.1
 Генерация источников тока для антенны .............................................. 298 
12.2
 Вставка щелевой антенны в самолет 
...................................................... 301 
12.3
 Расчет ДН дальнего поля в двух сечениях и нанесение результатов на 
12.4
графики 
.............................................................................................................. 309 
 Создание нового проекта Savant и вставка щелевой антенны ............ 314 
12.5
 Ориентация антенны 
................................................................................ 316 
12.6
 Согласование  плоской щели с кривизной цилиндра 
........................... 317 
12.7
 Расчет ДН дальнего поля используя опцию ползущих волн 
............... 320 
12.8
13 Работа программы в режиме изменения параметров 
.................................. 324 
 Настройка многошагового проекта ........................................................ 326 
13.1
 Добавление переменных в последовательность Multi-Run ................. 326 
13.2
 Нанесение результатов на полярную систему координат ................... 332 
13.3
Заключение ........................................................................................................... 335 
Литература 
............................................................................................................ 336 
 
 
5 

Условные обозначения 
CAD – Computer Added Design 
ГО – геометрическая оптика 
ФО – физическая оптика 
ОТД – однородная теория дифракции 
ГТД – геометрическая теория дифракции 
HFSS – High Frequency Structure Simulation 
CST MWS – Computer System Technics Microwave Studio 
SBR - Shooting and Bouncing Rays – метод расчета и трассирования лучей 
ЭМП – электромагнитное поле 
ДН – диаграмма направленности 
PEC – Perfect Electric Conductor 
TE – поперечные электрические волны 
TM – поперечные магнитные волны 
 GPU - graphics processing unit 
EMI/EMC – электромагнитная совместимость 
6 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Программа Savant, которая вошла в последние версии ANSYS Electronics 
Desktop (HFSS ANSYS), - это компьютерная программа [1] для расчета 
характеристик антенн, расположенных на самолётах, кораблях, спутниках, 
автомобилях, зданиях и других платформах (рис. 1.1). Программа 
рассчитывает: 
x ДН и характеристики направленности в режимах на передачу и прием 
антенн, установленных на платформы,  
x Распределение поля излучения в окружающем пространстве, 
x Связь и развязку между антеннами, смонтированными на общей 
платформе или двух отдельных платформах. 
Рис. 1.1. Трехмерная ДН антенны на платформе 
 
Программа электромагнитного моделирования Savant использует метод 
SBR (Shooting and Bouncing Rays). Метод SBR - это асимптотический СВЧ 
метод, который использует трассирование лучей для нахождения токов, 
наведенных на крупногабаритной платформе антенны. Эти токи затем 
создают поля излучения платформы (благодаря возбуждению, отражению и 
дифракции) в присутствии излучения антенны или связи между антеннами 
[2-4]  
SBR 
использует 
многолинейные 
связи, 
основанные 
на 
методе 
геометрической оптики (ГO).  SBR - это метод использования ГО [4-6] для 
эффективной реализации  метода физической оптики (ФO) [7-9] при  
многократном 
отражении 
лучей. 
Уникальность 
Savant 
состоит 
в 
дополнительных физических механизмах, которые можно выбрать для 
построения базового решения SBR. Это: 
x Распространение поверхностных волн от антенн, установленных на 
искривленной поверхности, 
7 

x Физическая теория дифракции (PTD) с коррекцией на металлических 
ребрах и вершинах, 
x Равномерная теория дифракции (UTD) с дифракцией лучей на ребрах. 
 Исходные данные для программы Savant 
1.1
Исходными данными для моделирования является 3D геометрия 
мобильной платформы (один или больше CAD моделей). Эти геометрии 
(рис. 1.2) могут быть получены извне в виде  файла CAD, в составе 
треугольных элементов или искривленных поверхностей в различных 
форматах: ACAD Facet (.facet), STL (Stereolithography) (.stl), Wavefront OBJ 
(.obj), GiD Mesh (.msh), и IGES (.iges, .igs). Эта платформа может быть 
импортирована из простого файла CAD, объединяя несколько встроенных 
параметрических форм, или комбинацией из импортированных CAD моделей 
и параметрических частей [10]. 
Рис. 1.2. Мобильные платформы (самолет, автомобиль), поверхности 
которых могут быть из различных материалов 
 
Свободно устанавливаемые (изолированные) передающие (Tx) и 
приемные (Rx) антенны могут быть описаны в двух видах:  
x ДН в дальней зоне как функция углов и частоты, 
x Распределение физических или эквивалентных токов. 
Это может быть также импортируемый файл или файл, сгенерированный 
по созданной антенне. Имеется несколько поддерживаемых собственных и 
внешних форматов Savant: 
ДН в виде таблицы  
.patdat 
Источники тока 
.csrc 
Дальнее поле ANSYS 
.ffd 
Источник дальнего поля CST 
.ffs 
Дальнее поле WIPL-D 
.ra1 
8 

 
Пользователь ANSYS Electronics Desktop и CST MICROWAVE STUDIO 
может также экспортировать данные ближнего поля после моделирования 
антенны и импортировать эти данные в Savant в виде ДН или эквивалентных 
токов (рис. 1.3). 
 
Рис. 1.3. Представление характеристик антенны в виде ДН в дальней зоне и 
эквивалентных токов в раскрыве антенны 
 
Тонкие материальные покрытия наносятся на поверхности как 
диэлектрические 
слои 
с 
заданной 
диэлектрической 
и 
магнитной 
проницаемостью, таблицей коэффициентов отражения от поверхности и 
коэффициентов передачи. 
 Результаты расчета Savant 
1.2
В результате расчета на программе Savant могут быть получены: 
x ДН в дальней зоне антенны Tx, установленной на платформе, 
x Ближние поля (E- и H-) установленной антенны Tx, 
x Коэффициент связи между установленными Tx и Rx антеннами. 
 
Savant может генерировать эти результаты на одной частоте, на 
дискретных частотах, или в диапазоне частот. Savant может также быть 
сконфигурирован 
для 
выполнения 
последовательности 
расчетов 
(т.е. 
выполнить параметрический анализ), где изменяются одна и большее 
количество переменных. Результаты показываются в Savant как цветные 3-D 
объекты и графики (рис. 1.4). Результаты сохраняются в табличном формате 
ASCII и могут быть импортированы. 
 
9 

Рис. 1.4. Антенна на корпусе самолета; сечение ДН по падающим (Incident) и 
суммарным (Total) полям 
 Savant с графической картой 
1.3
Savant с графической картой GUI (graphical user interface) значительно 
усиливает возможности программы и скорость расчета, алгоритм которой 
состоит из следующих шагов: 
 
x Задание новых проектов. 
x Выполнение моделирований. 
x Вывод результатов анализа. 
x Загрузка и сохранение проектов и архивированных проектов. 
 
Работа в Savant выполняется в дереве проекта, в котором имеется 
большие возможности визуализации структуры задачи, падающих и 
отраженных лучей от поверхностей, лучей дифракции от ребер (в методе 
UTD). Как трехмерные визуализации, так и графики имеют возможности для 
обогащения информацией, печати, экспорта в виде файлов изображений, а 
также копирования и вставки в другие программы.  
Существует также серверное приложение Savant, запускаемое из 
командной строки без графического интерфейса. Оно доступно для 
выполнения отдельных проектов Savant в фоновом режиме или пакетного 
выполнения нескольких проектов. 
 
10