Гибридное моделирование в HFSS ANSYS

Курушин А. А. 
 
 
 
 
 
 
Гибридное моделирование  
в HFSS ANSYS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
СОЛОН-Пресс 
Москва  
2023  
 

УДК 621.38 
УДК 621.372.826 
     К 93 
 
Рецензенты:  
д.т.н., проф. Моск. Энерг. Института, Серебрянников Сергей Владимирович,  
к.т.н., гл. научн. сотр. НИИП им. В.В. Тихомирова, Грибанов Александр Николаевич. 
Задачи, решаемые в книге, ставились при спонсорской поддержке АО АП «Восход» 
(Москва)  (Генеральный директор Артемьев С.Н.) для оптимизации изделий авиационной 
промышленности. 
 
Курушин А.А.  
Гибридное моделирование в HFSS ANSYS. — М.: СОЛОН-Пресс, 
2023, — 292 стр., с илл. 
 
ISBN 978-5-91359-506-5 
 
Книга посвящена применению программы HFSS ANSYS для гибридного 
моделирования СВЧ структур – усилителей, фильтров,  объемных 
интегральных схем, активных антенн и приемно-передающих блоков 
фазированных антенных решеток. В ней раскрываются многие понятия, 
важные при моделировании многослойных интегральных схем, связывается 
топология и схематическое представление, с помощью HFSS ANSYS 
выполняется расчет смещения по постоянному току, расчет сигнальных и 
шумовых характеристик в диапазоне СВЧ и КВЧ. Книга предназначена для 
углубления сведений о моделировании современных гибридных излучающих 
интегральных схем и, надеемся, будет полезной для студентов, аспирантов и 
научных работников, работающих в области СВЧ. 
 
УДК 621.38 
УДК 621.372.826 
 
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 978-5-91359-506-5 
© СОЛОН-Пресс, 2023 
 
© Курушин А.А., 2023 

 
Оглавление 
 
Условные обозначения 
......................................................................................... 4 
Введение .................................................................................................................. 5 
Глава 1. Расчет малошумящего СВЧ усилителя .......................................... 12 
Глава 2. Расчет нелинейных характеристик МШУ 
..................................... 44 
2. 1. Нелинейные модели СВЧ транзисторов ............................................. 44 
2.2. Анализ однокаскадного усилителя, используя нелинейную модель 
СВЧ транзистора 
.............................................................................................. 51 
2.3. Малошумящий усилитель LNA с нелинейной моделью 
биполярного транзистора 
............................................................................... 57 
Глава 3. Расчет усилителя мощности, используя X-параметры ............... 76 
Глава 4. Синтез и моделирование СВЧ фильтров в HFSS ......................... 84 
4.1. Проектирование фильтра в виде схемы 
............................................... 85 
4.2. Проектирование фильтра в топологическом представлении ......... 90 
Глава 5.  Моделирование смесителя ............................................................. 102 
Глава 6. Моделирование радиотрактов 
........................................................ 119 
Глава 7.  Моделирование в HFSS 3DLayout ................................................ 141 
Глава 8. Проектирование ОИС в топологическом исполнении 
.............. 170 
Глава 10.Моделирование  структуры ФАР с SIW волноводами 
............. 240 
Глава 11. Моделирование активной пач-антенны 
..................................... 257 
Глава 12.  Моделирование фазированной антенной решетки в HFSS 
ANSYS 
.................................................................................................................. 275 
Заключение 
......................................................................................................... 289 
Литература.......................................................................................................... 290 
 
 
3 

 
Условные обозначения 
 
ОИС – Объемная интегральная схема 
ФАР – фазированная антенная решетка 
ДН –  диаграмма направленности 
БТ – биполярный транзистор 
ПТ – полевой транзистор 
LNA (Low Noise Amplifier) – малошумящий усилитель (МШУ) 
LSOP (Large-Scale Operating Point) – большесигнальная рабочая точка 
FE-BI – гибридная поверхность связи по дальнему полю 
PML (Perfect Matching Layer) – слой идеального поглощения 
PCB (Printed Circuit Board)  –    интегральная схема 
HFSS 
(High 
Frequency 
System 
Simulator) 
– 
тестовая 
программа 
моделирования СВЧ структур методом FEM 
CST (Computer System Technics)  – программа расчета СВЧ структур 
методом FDTD 
FEKO (FieldKorpus) – программа расчета СВЧ структур методом МОМ 
CST CS (CABLE STUDIO) – программа расчета кабельных структур 
Nexxim – базовая программа расчета характеристик схем и систем 
FEM (Finite Element Method)  – метод конечных элементов 
FDTD (Finite Difference Time Domain) – метод конечных разностей во 
            временной области 
МОМ – метод моментов  
PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) метод импедансного аналога 
            электромагнитного поля 
FEFD  (3D Finite-Element method) – метод конечных элементов 
S-Parameters – параметры рассеяния 
AC – расчет по переменному току  
DC – расчет по постоянному току 
TLM Transient  – метод линий на основе гексагедральной шестигранной 
                                  сетки) 
IE (Integral Equation) – метод интегральных уравнений 
 
 
4 

 
 
Введение 
 
      Гибридные методы расчета – это новое направление, реализованное в 
системе HFSS ANSYS. 
        Интерфейс ANSYS обеспечивает эффективный путь управления 
гибридными проектами, в которых несколько различных инструментов 
анализа моделируют отдельные конструкции проекта. Конструкции также 
могут быть параметризованы. Это позволяет изучить влияние изменения 
параметров конструкций на характеристики всей системы. 
В HFSS ANSYS можно решать разнообразные задачи, причем любая 
комбинация типов проектов могут быть вставлены в один файл проекта. Так, 
программа Schematic может быть использована для подключения различных 
моделей программ решения поля и создания модели системы высокого 
уровня.  
      На рис. В.1 показано, как ANSYS Electronics Desktop может 
использоваться 
для 
моделирования 
различных 
компонентов  
радиолокационной системы. Антенная решетка создана в HFSS и связана с 
конструкцией самолета F16, которая моделируется методом интегральных 
уравнений (IE). Малошумящий усилитель и полосовой фильтр являются 
двумя важными компонентами в приемной части схемы радиолокационного 
модуля [1]. Малошумящий усилитель и фильтр могут быть смоделированы в 
HFSS 3D Layout и соединены в схемном моделировании вместе с другими 
компонентами радиолокационного модуля, подключенного к антенной 
решетке. 
Спроектированный 
радиолокационный 
модуль 
может 
использоваться 
для 
управления 
антеннами 
с 
помощью 
функции 
принудительного возбуждения, когда напряжения на портах антенной 
решетки 
устанавливаются 
для 
выполнения 
сканирования 
ФАР 
в 
пространстве. 
Особенности 
возбуждения 
 
позволяет 
рассмотреть 
электромагнитные поля, когда блок радиолокатора управляется в модуле 
Schematic. Отметим также, что в HFSS включена программа Savant, которая 
позволяет оптимизировать положение антенны на носителе [2]. 
 
5 

Введение 
 
 
Рис. В.1. Блоки для построения приемно-передающего модуля ФАР на самолете (схема, топология, конструкция, композиция, установка на носитель) 
 
 
      Перед построением модели проекта HFSS нужно указать тип решения. 
Опции проекта будут зависеть от выбранного типа решения. 
     Откройте диалог Solution Type (рис. В.2) командой HFSS>Solution Type.  
 
 
 
Рис. В.2. Типы решений и опции методов в ANSYS 
 
В диалоге Solution Type(рис. В.2) можно выбрать следующие типы решения: 
 
Modal  - метод, относящийся к методам Driven для расчета S-параметров 
пассивных СВЧ структур, таких как микрополосковые линии, волноводы и 
линии передачи, которые возбуждаются источником, а также падающей 
плоской волной. Опция Network Analysis используется для расчета методом 
теории цепей. Опция Composite Excitation  реализует метод решения полей в 
заданной области частот. 
 
Terminal - это метод для расчета S-параметров пассивных высокочастотных 
структур с портами многопроводных линий передачи, которые возбуждаются 
(driven) источниками. В этом типе решения нагрузки на выводах задаются в 
6 

Введение 
терминах напряжений и токов. Возможно также задавать возбуждения 
модами (типами волн). Опция  Network Analysis позволяет не только 
выполнить моделирование схемы радиоустройства, но и реализовать 
гибридные методы расчета вплоть до моделирования радиосистемы. 
 
Eigenmode предназначен для расчета собственных мод, или резонансов 
структуры. Программа расчета собственных мод находит резонансные 
частоты структуры и поля на этих частотах. Проекты расчета собственных 
модне могут содержать параметры, зависящие от частоты, например 
частотно-зависимые граничные импедансные условия. 
 
Transient  - метод расчета задач во временной области. В методе Transient 
вы можете выбрать типы решений Composite Excitation или Network 
Analysis, от которых зависят параметры настройки. 
      Если вы выберете схемный анализ Network Analysis, то в настройках 
появится вкладка InputSignal (входной сигнал) для моделирования. 
     Типичные задачи для расчета переходных режимов: 
- моделирование импульсных возбуждений сверхширокополосных антенн, 
анализ при ударах молний, электростатических разрядах;  
- визуализация поля с использованием кратковременных возбуждений;  
- рефлектометрия во временной области. 
 
При выборе решений (DrivenSolutions) нужно указать, следует ли 
использовать анализ цепи (Network Analysis) или гибридное  возбуждение 
(Composite Excitation). При гибридном анализе нужно задать области 
объединения или касания областей анализа поля. Для задач с открытым 
пространством (как правило, антенн) можно выбрать опцию  Auto-Open 
Region. Эта опция доступна для управляемого модального, терминального и 
переходного (transient) типа решения. Это автоматически создает открытую 
для излучения область и определенные настройки анализа для проекта. 
Можно выбрать эту область как Radiation, FE-BI или PML. Это упрощает 
процесс проектирования. Если не выбран параметр Auto-Open Region, 
необходимо создать объём воздуха, а затем назначить границу излучения 
вручную или с помощью команды,  создавая открытую область Open Region.  
        Гибридный тип решения (Composite Excitation) для Driven Model, 
Driven Terminal, и Transient ускоряет решение поля в широком диапазоне 
частот.Перед решением нужно задать полный набор возбуждений. Эти 
возбуждения устанавливаются в диалоге EditSources, и результирующий 
вектор 
возбуждения 
передается 
программе 
решения. 
Редактировать 
источники можно в папке Fields. Если тип решения - одиночное 
возбуждение, диалоговое окно Edit Sources скроет общее напряжение и 
применит параметры постобработки возбуждений портов.      
 
Программа HFSS будет рассчитывать вектор активных S параметров. 
Эти данные будут занимать один столбец решения данных, которые были бы 
7 

Введение 
созданы решением методом теории цепей. Данные цепей будут включать Zo 
порта и постоянную распространения Gamma. 
 
Расчет и вывод полей и суперпозиция полей будут доступны в решении 
методом Network Analysis, причем: 
- 
редактирование 
источников 
Edit 
Sources 
является 
основным 
редактированием. Изменение источников изменяет все графики. 
-  возможна перенормировка, разгерметизация, и калибровка дискретного 
порта  
- поддерживается анимация от внутренних (фазы, частоты) или проектных 
переменных. 
      Отображение полей в портах выполняется в методе Network Analysis. В 
этом случае поля портов представляют собой равномерное возбуждение на 
каждом порту, а не для возбуждений, указанных пользователем в Edit 
Sources. Причина в том, что сначала нужно решить порты отдельно перед 
приложением пользовательских возбуждений. 
 
     Для гибридного  типа расчета Composite Excitation есть ограничения: 
 
 
-  Дифференциальные линии (Differential pairs) не поддерживаются; 
-  Производные полей (Derivatives) не рассчитываются; 
-  На графике нельзя показать S параметры или какие-либо другие данные из 
них  (Y, Z, …); 
-  Gamma, Terminal (и Modal) портов можно вывести. Панель Matrix будет 
показывать и включать Gamma и импедансы портов. Но нет возможности 
экспорта файла Touchstone; 
-   Можно вывести графики поля, а также  ActiveS (и ActiveY, и т.д.). 
Однако ActiveS  можно вывести при расчете, а не постобработкой. 
ActiveY, Z и VSWR являются функциями ActiveS и  Zo; 
-  Поля излучения не выводятся. 
 
 
Опция Auto-Open Region при проектировании антенны 
 
      В режиме Auto-Open Region (рис. В.3) рабочий процесс максимально 
упрощает необходимые действия пользователя и позволяет быстро перейти к 
надежному решению. Он предназначен для случая, когда не нужно 
беспокоиться об областях и внешних границах излучения. Опция доступна 
для  методов решения Driven modal, Terminal и Transient.  
 
8 

Введение 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис. В.3. Пример гибридной области 
в задаче связи двух антенн 
 Рис. В.4. Тип анализа и опции 
вывода данных дальнего поля 
 
      В открытой задаче  воздушное пространство, охватывающее  внешние 
излучающие поверхности, моделируется окружающим объектом. Граничные 
условия излучения (ABC, PML или FEBI) назначаются внешним 
излучающим поверхностям (т. е. граням области) для поглощения всех 
излученных волн. 
     Если вы выбрали Auto-Open Region, меридиональные и азимутальные 
сечения ДН автоматически создаются в области объекта границ PML, 
Radiate или гибридной области по выбору: Radiation, FE-BI, или PML, хотя 
эти объекты скрыты, если вы впоследствии отключите Auto-Open Region.  
     Выбор  Auto-Open Region также создает в установках на решение т.н. 
режим Auto1, и также создает следующие три установки дальнего поля: 
 
- ‘3D’  - это полная сфера, Phi = -180q до  180q с шагом  2q, Theta = 0  до 180q 
с шагом 2q, 
- ‘Elevation’, когда  Phi = 0 до  90q с шагом 90q, Theta = -180q до 180q с шагом 
1q, 
- ‘Azimuth’, когда   Phi = -180q до 180q с шагом 1q, Theta = 90q до 90q с шагом 
0. 
 
     HFSS ANSYS применяет наиболее подходящие исходные настройки, 
основанные на геометрии и рабочей частоте. Вам не нужно редактировать 
эти настройки напрямую. Но этот режим ограничивает проектирование 
одной настройкой решения. В этом режиме вы не можете вручную создать 
объект области, границы Radiate или PML. Бесконечная плоскость 
заземления, металлическая область IE, ведущая/ведомая и границы 
симметрии также не допускаются. 
 
9 

Введение 
      Если вы отключите настройку Auto-Open Region, граница излучения 
станет видимой в окне модели и в виде границы, называемой AutoOpen1 в 
дереве проекта, а область появится в хронологии создания проекта. 
 
 
Рис. В.5. Ближние поля, предназначенные 
для связи решений 
Рис. В.6. Гибридная область связи задач  
разными решениями 
 
     В случае, когда вы отключаете настройку Auto-Open Region для границы 
FE-BI, дерево проекта показывает гибридную область с именем AutoOpen1. 
 
 
Рис. В.7. Создание граничных условий PML 
 
      В том случае, когда вы отключаете настройку Auto-Open Region для 
границы PML, дерево проекта показывает набор границ PML_radiationn. 
    Создание проекта HFSS 3D Layout похоже на создание проекта в HFSS  
или HFSS-EI. Чтобы настроить HFSS 3D Layout, выполните эту общую 
процедуру. 
После 
вставки 
проекта 
нет 
необходимости 
выполнять 
промежуточные шаги последовательно, но их все же необходимо выполнить 
перед созданием решения. 
 
10