[alexPec 3]

Решил создать отдельную тему. Начал изучать HFSS, пробую воспроизвести моделирование антенны, на которую указал уважаемый yurik82:

https://ypylypenko.livejournal.com/64127.html

Нарисовал сам штырь и пластину. Теперь определяю порты. Если мощность к такой системе подводить кабелем (оплетку - на пластину, центральную жилу - на штырь), то как правильно задать точки подключения?

Если я правильно понял, то подвод мощности к штырю определяем так: выделяем торцевую поверхность штыря (которая ближе к пластине) и правой кнопкой выбираем Assign excitation->wave port. Но как задать, что мощность подводится относительно пластины? Надо каким-то образом определить базу (относительно чего) подводимой мощности. Думаю это должна быть торцевая поверхность пластины.

Если я выбрал материал и штыря и пластины  - медь, то нужно ли задавать границы (через assign boundary, perfect E или perfect H) ? Если да, то это (границы) должны быть  поверхности пластины и штыря?

В качестве отправной точки использовал приложенный файл. Но к сожалению не нашел там примера со штыревой антенной.

Может у кого есть похожий мануал для штыревой антенны? Но думаю вопрос с подключением  противовеса все равно останется открытым.

HFSS_Exam_v4.pdf

[old_boy 0]

10 часов назад, alexPec сказал:

Решил создать отдельную тему. Начал изучать HFSS, пробую воспроизвести моделирование антенны

Используйте, по-возможности, HFSS последних версий, из пакета ANSYS Electronics Desktop. Там есть встроенное приложение ACT Extension, которое поможет Вам избежать большинство "детских" болезней и ответит на многие вопросы... Предлагаются наиболее распространенные типы антенн (в том числе и несимметричный диполь - monopole) с различными граничными условиями и условиями возбуждения (портами). Геометрии излучателей заданы через переменные данные и могут быть легко трансформированы, либо заменены, по желанию, на другие формы...

[yurik82 17]

alexPec давайте всё по порядку.

Антенны в HFSS можно моделировать 3 главными методами:

1) Метод конечных элементов (МКЭ, FEM) - это "обычный классический HFSS", если явно не упоминают то речь об этом методе. По этому методу обязательно нужно ограничить пространство конечным объемом в пределах которого ведется полный расчет всех полей и токов. Для экономии CPU/RAM это пространство стараются делать как можно более компактным, но именно применительно к антеннам где значительная часть энергии от устройства излучается (в идеале вся энергия) минимальные размеры должны быть не ближе Lambda/4, а в направлении куда уходит бОльшая часть энергии лучше >= lambda/2

2) Метод граничных элементов, он же метод моментов (MoM) - это тип проекта HFSS-IE (решатель ACA-solver, а также его разновидность MLFMM солвер). Метод моментов это тот же метод что использует движок NEC2/NEC4 (программы 4NEC2, MMANA, EzNEC и другие). Если по методу МКЭ весь объем пространства делился сеткой на тетраэдры, то в MoM сетка бьет только поверхности материалов на треугольники. Из-за этого количество элементов сетки разбиения в 100 и более раз меньше чем по методу МКЭ, причем для электрически крупных антенн (много лямбд) или моделировании антенн с мачтой, автомобилем, кораблем, сооружением (электрически крупные близлежащие проводники или диэлектрики) разрыв растет ещё больше.

В этом методе нет ошибок связанных с неудачно выбранной формой граничного слоя Radaition Boundary, потому что его нет вообще. И легко моделируются крупные структуры, в т.ч. это самый лучший метод расчета параболических зеркал (с МКЭ реально рассчитать только маленькие зеркала)

3) Метод FIT (finite integration technique или FDTD, разновидностью которого он является). Этот метод исторически был главный метод в CST Studio (если явно не упоминают, то использовали FIT/FDTD). Тоже есть Radaition Boundary, но бьется на треугольники поверхность, а не объем на тетраедры. В HFSS этот метод используется через гибридный регион FE-BI (Finite Element-Boundary Integral). Делаете все так же как в п.1 только вместо ГУ=Radiation накладываете ГУ=Hybrid->FE-BI

Для одиночной антенны никаких преимущество в п.3 в HFSS нет, потребление CPU/RAM сильно хуже чем в 1 или 2. Но главная фишка этого метода, что он позволяет в одной модели на одном экране комбинировать MoM решатель и обычный. Это крайне удобно для моделирования облучателя сразу с параболическим зеркалом. Сам облучатель с его сложной волноводной структурой моделируется "классическим HFSS" (регион FE-BI), а отражающее зеркало назначается IE регион  (а для очень крупных зеркал можно ограничиться и PO регионом).

 

Для методов 1 и 3 существует несколько видов Solution Type. Для решений во временной области (возбуждение порта одиночными импульсами заданной формы и длительности) используется тип решений Transient. Это специфический экзотический метод исследований некоторых экзотических свойств антенн.

Все интересующие решения для антенн - в частотной области (frequency domain) - возбуждение устоявшимися гармоническими колебаниями заданной частоты.

Это 2 типа решений: DrivenModal и TerminalDriven. Метод №2 (MoM) поддерживает только TerminalDriven.

В модальном решении, устройство (антенна) возбуждается волновым или сосредоточенным портом заданной мощности (по умолчанию 1W)

В терминальном решении, устройство (антенна) возбуждается приложением разности потенциалов между гранями сосредоточенного порта (по умолчанию 1V)

HFSS поддерживает как WavePort так и LumpedPort для Excitation для типа решений DrivenModal.
Если есть явных 2 ребра касания к которым приложен потенциал генератора - то это LumpedPort. Если это коаксиальный кабель, то это будет бублик с дыркой. Внутренний периметр касается к центральной жиле коаксиала, внешний к внутренней поверхности трубы/оплётки. Линия интеграции от одного периметра к другому.

При таком способе задания возбуждения - по нарисованному бублику возбуждается однородное Е-поле, линии которого идут так как была нарисована линии Zpi Integration Line. Посмотреть как задано поле - всегда можно в "Port Field Display" -> Название порта -> номер режима (моды)

Для порта на предыдущей картинке Е-поле будет такое (смотреть в пункте меню дерева Port Field Display):

Такое поле соответствует режиму волны ТЕM или подсоединению к клеммам генератора в начале линии.
В 99% случаев антенны удобнее всего моделировать с LumpedPort

Но в разных типах линий могут протекать и моды других порядков. В коаксиальной линии это могут быть моды ТЕ и ТМ, порядков 01, 02, 11 и др. (в зависимости от соотношения длины волны и диаметра волновода). В полом волноводе или в полосковой печатной линии на СВЧ могут распространяться моды разных порядков, у каждой своя скорость распространения и импеданс.

Если надо смоделировать что по кабелю пришла другая мода или многомодовое возбуждение - то LumpedPort не подойдет, надо рисовать WavePort. Если мод несколько - каждой можно присвоить своё волновое сопротивление.
 

LumpedPort также отличается от WavePort тем что:
- у него есть паразитная индуктивность.
- он не взаимодействует с моделью (абстрактный)
- у него только 2 ребра куда прикладывается разница потенциалов генератора. WavePort может возбуждать линию с любым количеством элементов - например двухпроводная симметричная линия внутри земляного экрана.

Если LumpedPort прямоугольный (в 90% случаев так рисуют), то в его свойства есть галочка De-Embed. По умолчанию она выключена. По умолчанию HFSS накидывает сверху некоторую паразитную индуктивность (в справке есть формула сколько наногенри он накидывает в зависимости от размера прямоугольника). Она смещает график jX немного вверх. Если набрасывать индуктивность не надо - надо включить галочку De-Embed. Если lumped порт не прямоугольный, то индуктивность не учитывается и опция De-embed заблокирована.

WavePort задается по другому. Задается сечение (прямоугольник, круг и т.д.) в котором приходит сформированная где-то ранее (на бесконечном расстоянии за пределами модели) ЭМ волна в любой заданной пользователем моде или в многомодовом режиме. Для закрытых (полых) волноводов у которых нет точек куда прикладывать напряжение генератора - это единственный тип возбуждения. Для 2 и более проводных линий можно Lumped можно Wave.
Недостаток Lumped типа в том, что он значит что вы как бы в самом деле вставили генератор в эту точку модели. Установившийся режим волны сформируется лишь на некотором (пусть и небольшом) расстоянии от точки присоединения генератора.

В HFSS также есть ограничение, что сечение WavePort должно лежать на слое Radiation Boundary (или на его аналогах - PML слои и др.). Т.е. сам волновой порт организован как "дыра" по которой из внешнего мира в модель приходит ЭМ волна.
Если требуется обойти это ограничение и нарисовать WavePort внутри - в справке есть "трюк" - если волновод замкнутая полость (не подходит для полосковых линий) то на заднюю стенку необходимо нарисовать заглушку из материала PEC.
 

[alexPec 3]

Большое спасибо за разъяснения!

Если я правильно понял, то использовать лучше wave port.

Тогда такая идея: корректно ли будет моделирование, если я нарисую кусок кабеля, наружную поверхность цилиндра соединю с противовесом металлической перемычкой, а внутреннюю - с центральной жилой. Так даже правильнее будет, т.к. промоделирую еще и кабель, который все равно будет в непосредственной близости. Wave port поставлю на другом конце кабеля, но вот как сделать переход от штыря к кабелю? Он ведь моделируется как полый волновод, если я правильно понял?

 

[yurik82 17]

10 минут назад, alexPec сказал:

Если я правильно понял, то использовать лучше wave port.

Для антенн это используется редко и обычно в таких случаях:

1) антенна питается полым волноводом. Других вариантов возбуждения нет. Где-то там далеко за пределами модели наверняка есть коаксиально-волновой переход (зонд возбуждения в трубе), но если у нас границы моделирования только "до фланца", то мы не можем возбудить трубу приложив куда-то напряжение.

2) антенна питается полосковой линией, которая уходит далеко за пределы вашего слоя "Radition boundary".

Цитата

 но вот как сделать переход от штыря к кабелю?

так же как и будете делать в жизни. вы же хотите получить реалистичные измерения, а не свойства выдуманного устройства, которое вы использовать не будете.

у вас в жизни будет кабель? энергия  в него будет приходить из-за пределов слоя Radiation_Boundary?

 

Цитата

Он ведь моделируется как полый волновод, если я правильно понял?

полая труба с централной жилой (прутком). в 99% случаев возбуждают через LumpedPort как на скринах выше

 

Возиться с WavePort есть смысл только в 2 случаях:

- крайне высокие частоты когда в кабеле могут появляться моды высших порядков и это надо исследовать

- есть желание воспользоваться опцией De-Embed и указать там явную длину этой линии. S/Z матрицы автоматически (почти мгновенно, в рамках post-processing без повторного решения модели) пересчитаются с учетом введенной длины линии.

Вы нарисовали например 1 сантиметр коаксиальной линии. Это для HFSS достаточно чтобы смоделировать её волновое сопротивление, скорость распространения, затухание (узнать все RLGC параметры линии).

Можно там ввести 10 метров в окошке De-Embed и мгновенно пересчитаются отчеты если бы длина линии в самом деле была 10 метров (с учетом трансформации импедансов и затухания в линии)

Изменено 4 сентября, 2019 пользователем yurik82

[yurik82 17]

Вот файл от модели рации Baofeng, внутри 2 типа решений: MoM (тип проекта HFSS-IE, ACA-Solver) и FEM (тип проекта HFSS, тип Solution: DrivenModal).

Baofeng_UV5R.aedt

И там и там возбуждение через LumpedPort. В MoM - терминального типа (между гранями приложена разница потенциалов 1 Вольт, какая при этом будет мощность наперед неизвестно), в FEM - модального типа, вдоль прямоугольника наложена линия интеграции Zpi которая формирует Е-поле такой напряженности, чтобы мощность порта была ровно 1W (какое при этом будет напряжение наперед неизвестно)

 

При решении FEM можно видеть векторы (и амплитуда и угол) электрического и магнитного полей в любой точке расчетного пространства (в любой точке в пределах Radiation_Boundary) и поверхностные токи на любых проводниках. В т.ч. можно рисовать анимации напряженности или движения векторов поля.

При решении MoM можно видеть только поверхностные токи на проводниках. В промежутке между элементами (проводники или диэлектрики) расчеты не ведутся. Расчет ведется только между треугольниками сетки и бесконечной сферой.

 

Решение MoM значительно быстрее, RAM=61 Mb, вся модель это 612 треугольников, время расчете менее 1 секунды.

FEM потребляет RAM=620 Mb, время расчета около 10 секунд на 1 частотную точку.

Для электрически крупных моделей разница будет ещё больше

Изменено 4 сентября, 2019 пользователем yurik82

[uve 2]

1 hour ago, yurik82 said:

При решении MoM можно видеть только поверхностные токи на проводниках. В промежутке между элементами (проводники или диэлектрики) расчеты не ведутся. Расчет ведется только между треугольниками сетки и бесконечной сферой.

 

 

  FEKO работает с MoM. И картина распределения ЭМЭ в пространстве рассчитывается. Я с FEKO много работал.

[alexPec 3]

yurik82, большое спасибо!

Наконец то руки дошли до антенны снова. Выкачал ansysEM18.2, установил - говорит файл создан в более поздней версии. Выкачал ansysEM19.2, установил -  проект открывается, все могу посмотреть, но как только делаю analyze All - при расчете сетки решатель (видимо) вылетает с ошибкой. Хоть в первом, хоть во втором проекте. Виндоус говорит что программа некорректно работает и будет закрыта. Может у Вас было такое? В чем может быть проблема?

[alexPec 3]

Поставил на другой машине с win10 - все заработало, analyze all работает тоже.

Вижу разницу м/у МоМ и driven model. В частности, Z (54,82 и 50.9) и VSWR (минимумы в 1.02 и 1.12). Чему верить и на что ориентироваться?

И еще не вижу 3d radiation pattern ни в МоМ, ни в driven model.  Так и должно быть?

Пока не влезал в детали, просто открыл проект и не знаю точно, то ли у меня что-то не работает, то ли действительно надо что-то сделать чтобы получить 3d radiation pattern.

 

UPD:

Попробовал повторить модель driven model, сделал с нуля свой проект, нарисовал штырь, противовес, прямоугольник, который будет lumped port. Задал integratin line, анализ по частоте VSWR. Не пойму что сделал не правильно - VSWR показывает тысячи... Подскажите пожалуйста.

Приложил файл с проектами yurik82 и там же мой заново созданный проект.

Baofeng_1.aedt

[yurik82 17]

Спойлер

 не вижу 3d radiation pattern

если из старого отчета копировалось - проверяйте "Modify report" - вкладка Family, там могли остаться переменные (частота и/или номиналы параметрического свипа) которых в текущем решении больше нет

 

11 часов назад, alexPec сказал:

Чему верить и на что ориентироваться?

MoM точный сразу, а с FEM надо возиться

https://electronix.ru/forum/index.php?app=forums&module=forums&controller=topic&id=151600&do=findComment&comment=1620618

 

 

Если в рации Бао увеличить шар с L/4 до L/2 (относительно ближайшего проводящего элемента) то графики входного сопротивления существенно меняются, особенно R растет с 51.01 до 57.67 Ом

 

Почитайте рекомендации Ansys для моделирования антенн в FEM

Application Specific Modeling Guide V.1.PDF

Изменено 9 сентября, 2019 пользователем yurik82

[alexPec 3]

Цитата

если из старого отчета копировалось -

Нет, это в Вашем файле не могу открыть.

Зачем кстати в 3д нужен элемент "ground wire"?

[yurik82 17]

1 час назад, alexPec сказал:

Нет, это в Вашем файле не могу открыть.

вопросы собственности не влияют на работу HFSS 

Цитата

 Зачем кстати в 3д нужен элемент "ground wire"?

в его свойствах не стоит галочка "Model", т.е. он не включен в модель (игнорируется). Эта проволочка для удлинения земляного противовеса.

[alexPec 3]

4 часа назад, yurik82 сказал:

вопросы собственности не влияют на работу HFSS 

Я имел ввиду что ничего в файле не менял, открыл, сделал analyze all. Но 3д radiation не появилось... Так должно быть?

 

[yurik82 17]

3 часа назад, alexPec сказал:

Я имел ввиду что ничего в файле не менял, открыл, сделал analyze all. Но 3д radiation не появилось... Так должно быть?

Я вам дал математически точный ответ:

13 часов назад, yurik82 сказал:

если из старого отчета копировалось - проверяйте "Modify report" - вкладка Family, там могли остаться переменные (частота и/или номиналы параметрического свипа) которых в текущем решении больше нет

 

[alexPec 3]

Спасибо! Все получилось. Нарисовал свой конструктив, в FEM получилось промоделировать и вывести и VSWR, и Z и 3d диаграмму направленности.