Моделирование антенн и СВЧ структур с помощью HFSS

Серия «Системы проектирования» 
 
 
 
Банков С. Е. , Курушин А. А. 
 
 
 
 
Моделирование антенн  
и СВЧ структур  
с помощью HFSS  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
СОЛОН-Пресс 
2019

УДК 621.3.049.77.029:681.3.06 
ББК 32.850.4 
     Б 23 
 
 
Банков С.Е., Курушин А.А.  
Моделирование антенн и СВЧ структур с помощью HFSS. — М., 
СОЛОН-Пресс, 2019, 280 с.   
 
ISBN 978-5-91359-303-0 
 
Данная книга представляет собой сборник задач, в котором проводится 
анализ ряда СВЧ структур, имеющих большую практическую важность. 
Впервые дается описание программы HFSS ANSYS. 
Программа 
HFSS 
ANSYS 
предназначена 
для 
проектирования 
трехмерных СВЧ устройств и использует несколько методов расчета, 
включая асимптотические. При решении важных практических задач, 
повышенное внимание уделяется особенностям методов расчета и 
установке опций программы HFSS в ходе построения трехмерных моделей 
волноводных, микрополосковых и антенных структур. Рассмотрен ряд 
оригинальных неоднородных структур, фильтров и современных антенн, 
с линейной и круговой поляризацией, анализируемых с помощью HFSS. 
Рассматривается решение физических задач, связанных с оптикой, 
радиолокацией, радиофизикой.  
Для инженерно-технических работников, студентов и аспирантов, 
изучающих 
проектирование 
СВЧ 
приборов 
и 
методы 
расчета 
электромагнитных полей в неоднородных структурах. 
 
УДК 621.3.049.77.029:681.3.06 
 
 
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 978-5-91359-303-0 
” СОЛОН-Пресс, 2019 
 
” Банков С.Е., Курушин А.А., 2019

Содержание 
 
Условные обозначения 
....................................................................................... 4 
Введение .............................................................................................................. 6 
1.  Моделирование наноструктуры в оптическом диапазоне частот 
........ 10 
2.  Волноводная антенная решетка 
............................................................... 21 
3.  Антенная решетка из антенн Вивальди .................................................. 37 
4.  Антенная решетка на вибраторных антеннах ........................................ 48 
5.  Моделирование частотно-селективной поверхности 
............................ 65 
6.  Падение плоской волны на объект и расчет эффективной площади 
рассеяния 
.................................................................................................... 79 
7.  Расчет ЭПР объекта большого электрического размера 
....................... 95 
8.  Полосовой волноводный фильтр 
........................................................... 105 
9.  Учет температурных режимов  в HFSS ................................................ 122 
10.  Реализация режима подстройки в HFSS 
............................................... 132 
11. Моделирование коннектора ................................................................... 139 
12.  Антенна, смонтированная на мачте ...................................................... 148 
13.  Расчет временного процесса в интегральной схеме СВЧ 
................... 155 
14.  Анализ рупорной антенны во временной области .............................. 178 
15.  Проектирование наноразмерных светодиодиодных модулей 
............ 199 
16.  Установка конфигурации для распределенного расчета  
на нескольких компьютерах 
................................................................... 228 
17.  Использование гибридных методов расчета в HFSS ANSYS ............ 247 
18.  Использование асимптотических методов расчета в HFSS 
................ 257 
Заключение 
...................................................................................................... 277 
Литература 
....................................................................................................... 278 
 
 
 
 
 
 
 
3 

˄̨̭̣̦̼̖̏ ̸̨̨̛̦̖̦̍̌́̚ 
Условные обозначения 
 
HFSS (High Frequency System Simulator) – программа электродинамического 
анализа трехмерных СВЧ структур, разработанная фирмой AnSoft. 
CST (Computer Simulation Technology) -  комплекс программ расчета СВЧ 
структур. 
Microwave Office (MWO)  программа универсального профиля линейного и 
нелинейного анализа СВЧ структур, включающих СВЧ транзисторы, диоды. 
FEKO программа электродинамического моделирования; происходит от 
немецкой фразы «FEldberechnung bei Korpern mit beliebiger Oberflache» (Расчет 
поля структуры произвольных форм). 
TEM(Tranverse Electromagnetic waves) – поперечные электромагнитные волны 
QTEM – квази-ТЕМ волна 
RCS (Radar Cross Section) – радиолокационный коэффициент отражения 
SAR (Specific Absorbtion Ratio) – удельная мощность поглощения 
PEC (Perfect Electrical Conductor) – идеальный электрический проводник 
FIT (Finite Integration Technique) – метод конечного интегрирования (МКИ) 
FDTD (Finite Diffrence Time Domain) – метод конечных разностей во временной 
области 
MoM – метод моментов, базовый метод решения электродинамической задачи 
в FEKO 
FEM (Finite Element Method) – метод конечных элементов(МКЭ) 
FDTD – метод конечных разностей во временной области 
MLFMM - Многоуровневый быстрый многопольный метод расчета 
TLM – метод линий передачи 
PML (Perfect Matching Layer) идеально согласующий слой 
САПР – система автоматизированного проектирования 
ГУ – граничные условия 
Сегмент – часть анализируемой структуры, часть линии 
Кубоид – автономный блок в виде параллелепипеда 
Тетраэдр- автономный блок в виде четырехвершинного тетраэдра 
RAM – Random Excess Memory – оперативная память компьютера 
HPC - High Performance Computing – опция для параллельной работы 
компьютеров 
CADFEKO – программа черчения структуры и задание на анализ  
EDITFEKO – программа организации цикла работы FEKO 
POSTFEKO – программа постпроцессорной обработки 
ЭДЕМ (электродинамика металлов) – САПР СВЧ метод моментов (автор 
А.Г.Давыдов). 
UTD  - однородная теория дифракции (ОТД) 
PO – физическая оптика 
MФO 
- 
метод 
физической 
оптики, 
в 
котором 
распространение 
электромагнитных волн представляется в виде пучков лучей 
4 

˄̨̭̣̦̼̖̏ ̸̨̨̛̦̖̦̍̌́̚ 
GO – метод геометрической оптики, в котором электромагнитные волны 
представляются в виде лучей, распространяющихся прямолинейно 
GPS (Global Position System) – система навигации 
GLONASS – система навигации (ГЛОНАСС) 
EMsight – блок СВЧ метод МОМ программы MWO 
СЛАУ – система линейных алгебраических уравнений 
Солвер (Solver) – программа или утилита для решения частной задачи 
ДН – диаграмма направленности 
РП – рабочая плоскость 
РЭА – радиоэлектронная аппаратура 
ЭДС – электродвижущая сила 
ЭВМ – электронные вычислительные машины 
КНД – коэффициент направленного действия 
КПД – коэффициент полезного действия 
СВЧ - сверхвысокие частоты 
САПР – системы автоматизированного проектирования 
ЧП - четырехполюсник 
PBC – периодические граничные условия 
МФО – метод физической оптики 
ГО – геометрическая оптика 
СПЛ – симметричная полосковая линия 
ПВ – плоский волновод 
ГТД – геометрическая теория дифракции 
МКВ – метод краевых волн 
КСА – квадрифилярная спиральная антенна 
КСВ – коэффициент стоячий волн 
ФЛАН – диэлектрический материал 
МДМ – многоканальный делитель мощности 
ФАР – фазированная антенная решетка 
AutoCAD – программа и стандарт создания трехмерных структур 
DXF, GDSII – расширения файлов представления трехмерных твердых 
объектов. 
СД – светодиод 
ОР – объемный резонатор 
КТ – квантовая точка 
КК – квантовое колечко 
ВК – высшее колебание 
СР – связанные резонаторы 
ЩС – щели связи 
ЧР – четвертьволновый резонатор 
 
5 

ʦ̛̖̖̦̖̏̔ 
 
Памяти профессора Гутцайта Эдуарда Михайловича 
 
 
 
ʑ˅ˈˇˈːˋˈ 
 
HFSS компании ANSYS - это программа расчета электромагнитного поля 
для проектирования СВЧ структур, имеющая несколько алгоритмов расчета 
[1]. Последняя версия программы HFSS выполняет расчеты методом конечных 
элементов в частотной области, переходные процессы, использует метод 
интегральных уравнений, а также гибридный подход: метод конечных 
элементов + метод интегральных уравнений. 
Каждый метод в HFSS реализован в виде программы, в которой нужно 
создать 
исследуемую 
структуру, 
задать 
параметры 
материалов 
и 
рассчитываемые характеристики. После этого HFSS генерирует сетку для 
решения задачи. В программе HFSS сетка генерируется адаптивно в 
зависимости от особенностей структуры и особенностей поля в ней.  
В HFSS ANSYS сделан большой шаг вперед по сравнению с 
предыдущими версиями программы, разработанными в фирме Ansoft. В ней 
выполнены модификации алгоритмов генерации сетки и алгоритмов расчета. 
Новый быстрый и устойчивый алгоритм TAU генерирует более качественную 
тетраэдральную сетку.   
Формирование системы уравнений, обеспечивающее смешанный порядок 
следования ее блоков, а также произвольная декомпозиция области решения,  
позволяют реализовать в  HFSS возможности высокоэффективного расчета 
(High-Performance Computing HPC). Программа черчения трехмерной модели 
была улучшена операциями типа вставки и переноса  двумерных и трехмерных 
моделей (imprinting), а интерфейс был значительно модифицирован для 
лучшего использования и автоматизации. 
     HFSS рассчитывает широкий спектр внешних параметров СВЧ устройств и 
антенн, к которым относятся электрические и магнитные поля, токи, Sпараметры, ближнее и дальнее поле, а также может рассчитать переходной 
процесс и временные изменения электромагнитных полей [2-4]. 
Разработчики могут быть уверены в точности HFSS при проектировании 
устройств, которые включают  внедряемые пассивные и активные  "чипы" и 
моделировать, таким образом, активные антенны, многослойные интегральные 
схемы СВЧ, ВЧ/СВЧ  компоненты и биомедицинские устройства (рис. В.1, 
В.2).  
6 

ʦ̛̖̖̦̖̏̔ 
      Существенно, что к программе  HFSS  прилагается ряд примеров, которые 
можно использовать в качестве шаблонов, и которые показывают новые 
возможности программы. 
     HFSS 
использует 
в 
качестве 
основного 
инструмента 
решения 
электродинамических задач метод конечных элементов.  В этом методе весь 
объем разбивается на тетраэдры, внутри которых поле представляется в виде 
объемных базисных функций с неизвестными коэффициентами, которые 
находятся из решения системы линейных уравнений. 
 
 
 
Рис. В.1. Модель пятизвенного волноводного фильтра, с рассчитанным в 
комплексе ANSYS температурным распределением 
 
В HFSS ANSYS добавлен программный модуль HFSS-IE, реализующий  
метод интегральных уравнений, который использует двумерные базисные 
функции, описывающие токи  на поверхностях, в том числе  объектов с 
конечной проводимостью, что позволяет описывать диэлектрические и 
металлические объекты с потерями. Этот метод часто называется методом 
моментов (МОМ).  Модуль  HFSS-IE разработан для моделирования больших 
излучающих структур. Этим методом в HFSS можно выполнить: 
• расчет радиолокационного коэффициента отражения (Radar Cross Section); 
• расчет антенны, расположенной на большом объекте, например на 
   автомобиле (в утилите Savant); 
• расчет коэффициента связи между удаленными антеннами; 
• расчет электромагнитной совместимости (с помощью Savant); 
• расчет многопортовых СВЧ структур и антенн. 
       Метод интегральных уравнений в силу особенностей формулировки 
граничной задачи рассчитывает поле в бесконечном пространстве [5,6]. 
Поэтому он не нуждается в поверхностях, моделирующих поглощение поля 
излучения: radiation boundary, perfectly matched layer и т.д. Это избавляет 
пользователя программы от необходимости окружать излучающий объект 
замкнутым воздушным объемом (box) с условиями излучения на поверхностях. 
7 

ʦ̛̖̖̦̖̏̔ 
Также 
появляется 
возможность 
расчета 
антенн, 
расположенных 
над 
поверхностью земли с конечной проводимостью.  
     Этот метод работает в  стандартном интерфейсе HFSS. Перечислим его 
особенности:  
• излучающие (открытые) объекты описываются без воздушного бокса; 
• имеется возможность анализировать объекты, содержащие бесконечные 
плоские структуры, в том числе бесконечные экраны и т.д.; 
• программа допускает использование дискретных источников возбуждения и 
источников в виде падающих плоских волн;  
• программа поддерживает расчет в диапазоне частот, задаваемый в виде 
дискретных точек и в режиме интерполяции;  
• программа производит расчет ближнего и дальнего полей; 
• для структур с большими электрическими размерами HFSS-IE использует 
методы сжатия разряженной  матрицы, ускоряющие вычислительный процесс; 
• возможно разделение модели на составные части, анализируемые с помощью 
различных методов расчета. 
В HFSS ANSYS реализуется вставка проектов разных типов друг в друга. 
Чтобы вставить проект HFSS или HFSS-IE достаточно кликнуть  Insert HFSS 
Design или  Insert HFSS-IE Design и новый проект появится в дереве проекта 
под именем HFSSDesignn или HFSS-IEDesignn, где  n - номер добавленного 
проекта в порядке его появления в общем проекте.      В проект можно 
включить больше, чем одну установку на решение. Причем можно задать 
методы решения HFSS или HFSS-IE, добавляя конструкции, анализируемые 
разными методами. Каждая установка решения включает следующую 
информацию: 
x общие данные о решении;  
x параметры уплотнения сетки разбиения, если нужно, чтобы сетка 
разбиения была уплотнена в областях с высокой скоростью изменения 
поля;  
x диапазон частот анализа. 
При решении задачи методом HFSS-IE можно выполнить импорт расчета, 
выполненного методом конечных элементов в задачу, которая будет решаться 
методом 
интегральных 
уравнений. 
Для 
этого 
можно 
импортировать 
рассчитанные в HFSS поля в дальней зоне Far Field Wave или в ближней зоне 
8 

ʦ̛̖̖̦̖̏̔ 
Near Field Wave.    В проект можно включить больше, чем одну установку на 
решение. Причем можно задать методы решения HFSS или HFSS-IE, добавляя 
конструкции, решаемые разными методами.  
 
Рис. В.2. Пространственная диаграмма направленности антенной решетки, 
элементами которой в HFSS могут быть щелевые, вибраторные, спиральные, 
пач-антенны, антенны Вивальди и др. излучающие элементы 
 
        В HFSS ANSYS реализованы новый виды портов - порт Флоке, который 
используется при моделировании периодических структур, а также порты, 
используемые в методе интегральных уравнений HFSS-IE. Книга построена по 
аналогии с пособием, посвященным программам FEKO,  CST MWS и 
дополняется многими важными примерами.   Благодарим за просмотр и 
обсуждение рукописи к.т.н. Давыдова А.Г., Грибанова А.Н. и  Калиничева В.И. 
В написании гл. 17 принял участие аспирант Кузнецов И.А. 
9 

1. ʺ̨̨̛̛̖̣̬̦̖̔̏̌ ̨̡̦̦̭̯̬̱̯̱̬̼̌ ̏ ̸̨̡̨̛̪̯̖̭̥ ̨̛̪̦̖̔̌̌̚ ̸̨̭̯̯̌ 
1. ʛˑˇˈˎˋ˓ˑ˅˃ːˋˈ ː˃ːˑ˔˕˓˖ˍ˕˖˓˞ ˅ ˑ˒˕ˋ˚ˈ˔ˍˑˏ 
ˇˋ˃˒˃ˊˑːˈ ˚˃˔˕ˑ˕ 
  
      При проектировании оптических приборов часто возникает задача 
оптимизации характеристик отражающих поверхностей [7,8]. В качестве 
перспективной отражающей поверхности в научных исследованиях и 
прикладных разработках используют периодическую структуру, состоящую из 
металлических 
конусов 
(см. 
рис. 1.1). 
 
Такая 
структура 
считается 
перспективной для создания оптических усилителей, преобразователей 
частоты и других приборов. 
 
  
 
                         a)                                                                   б) 
 
в) 
Рис. 1.1. Схема a) и топология б) оптического усилителя, в) фрагмент модели 
наноструктуры, используемой для создания оптических усилителей 
 
Представленная на рис. 1.1 реализация отражающей поверхности не 
является 
единственно 
возможной. 
Используются 
также 
структуры 
с 
полусферическими и эллиптическими окончаниями, дисками и т.д. Во всех 
случаях перед системой электродинамического моделирования стоит задача 
расчета частотной характеристики коэффициента отражения от периодической 
структуры. 
Формулировка граничной задачи выглядит следующим образом: на 
бесконечную в плоскости XOY периодическую структуру падает из верхнего 
полупространства плоская волна. Требуется найти рассеянное структурой поле.  
 
Естественным методом анализа бесконечных периодических структур 
является применение условий периодичности, которые сводят задачу для 
бесконечной структуры к анализу одного периода.  
10