Электродинамические расчеты в ANSYS Electronics Desktop под управлением программы, разработанной в MATLAB

Математическое моделирование является не­отъемлемой частью проектирования сверх­высокочастотных (СВЧ) устройств любой сложности, поскольку позволяет без натур­ных испытаний определить характеристики разрабатываемого устройства.

Разработка фазированной антенной ре­шетки (ФАР) и активной фазированной антен­ной решетки (АФАР), работающих в СВЧ-диапазоне частот, нуждается в моделировании функционирования отдельных устройств и систем на электродинамическом уровне. Для этого часто используют специализированные программы, например ANSYSHFSS [1, 2], CST Studio Suite, Altair FEKO. Эти программы при умелом применении довольно точно рассчи­тывают СВЧ характеристики, однако требу­ют большого времени счета и персонального компьютера (ПК) высокой производительно­сти. Поэтому их целесообразно использовать при решении задач, для которых необходимо точное электродинамическое моделирование, например:

• выбор конструкции излучателя с учетом требований на диаграмму направленности (ДН) одного излучателя в составе многоэлементной ФАР;
• расчет амплитудно-частотной и фазо­частотной характеристик распределительной системы;
• учет влияния краевых эффектов на ха­рактеристики направленности;
• учет влияния окружающих объектов и т. д.

В то же время большинство характери­стик направленности многоэлементных ФАР может с достаточной для практики точностью рассчитываться с помощью алгоритмов, не предъявляющих особых требований к вычис­лительным средствам и средам программирова­ния, и подобные задачи чаще всего невозможно решить с помощью программ СВЧ-моделиро- вания. К таким задачам относятся:

• выбор базовых геометрических парамет­ров раскрыва плоской ФАР: размеров аперту­ры, расчет границ однолучевой зоны и т. д.;
• выбор амплитудного распределения для обеспечения заданных характеристик излуче­ния по суммарному и разностным каналам, включая пеленгационные характеристики;
• расчет ДН при сканировании с учетом ошибок реализации амплитудно-фазового рас­пределения (АФР);
• формирование лучей специальной фор­мы (одномерно и двумерно расширенных, ко- секансных);
• расчет точности установки луча в за­данное направление;
• работа с динамическими диаграммами;
• поддержка операций настройки ФАР/ АФАР;
• учет особенностей цифрового диаграм- мообразования и т. д.

Поэтому необходимо так построить про­граммы поддержки разработок ФАР, чтобы в рамках одного пакета программ гибко совме­щать средства точного и быстрого моделирования. Одной из самых быстро развивающихся и перспективных сред математического и инже­нерного моделирования в настоящее время явля­ется MATLAB [3, 4]. Покажем на примере моде­лирования ФАР с плоским раскрывом основные правила организации такого взаимодействия между программами ANSYS HFSS и MATLAB.

Управление с помощью MATLAB процес­сами, протекающими в HFSS, заключается во взаимодействии компонент программного обе­спечения в операционных системах Windows. Каждая программа делится на различные ком­поненты, например, навигации, вставки и др.

Основой для объединения компонент программного обеспечения в приложение слу­жит Microsoft Component Object Model (COM). Это средство, использующее объектно-ориентированные языки программирования послед­ней модификации. Здесь компоненты запуска­ются компиляцией кода, и исходный код можно написать в любой из доступных программ про­граммирования, поддерживающей СОМ. Для данного случая СОМ-клиентом будет програм­ма, которая контролирует, т. е. MATLAB. А в качестве COM-объекта выступит программа, которую нужно контролировать, т. е. HFSS.

В MATLAB для создания СОМ-сервера используется команда actxserver(progid’), где progid - это идентификатор программы, по которому ее можно вызвать. Обычно эта за­пись появляется в реестре с установкой новой программы: HKEYY_CLASSESY_ROOT/progid.

Программу HFSS (AEDT) можно пред­ставить в виде блоков (рис. 1), которые отра­жают последовательность обработки потока данных.

Функции блоков, представленных на рис. 1, следующие:

• oDesktop является объектом рабочего пространства (открывает доступ к функции обновления рабочего окна программы);
• oProject открывает доступ к функциям управления проекта;
• oDesign открывает доступ к функциям управления конкретного дизайна;
• oEditor позволяет пользоваться функ­циями копировать, вырезать, вставить, функ­циями объединения геометрии (Unite) и др.;
• oModule позволяет управлять папками Boundaries или Excitations и др.

Например, в последовательности мо­жет быть несколько блоков oProject, которые активируются командой oProject = oDesktop. SetActiveProject(hfss_proj_name).

Эта команда выполняется в результате выбора проекта HFSS. В данном случае ко­манда oDesktop выступает в роли функции, а SetActiveProject(value) - аргумента.

Через MATLAB можно создавать макро­сы для каждой из программ, которые от кода в MATLAB отличаются лишь языком описания. Так как для HFSS используют VBScript (Visual Basic Script), то макросы используют тот же код. Макросы дают возможность использовать данные моделирования внутри программы и тем самым применять собственные алгоритмы постобработки данных. В некоторых случаях уместно создавать макросы вместо построчно­го выполнения кода в MATLAB.

В качестве излучателя в «бесконечной» ФАР, работающей на частоте 10 ГГц, исполь­зуем рупор (рис. 2), его модель заранее выпол­нена в программе HFSS Antenna Design Kit. Создадим в MATLAB модель плоской антенной решетки и загрузим данные в программу HFSS для расчета электродинамическими методами.

Можно выделить два разных способа построения антенной решетки в HFSS, кото­рые доступны в меню Antenna Array Setup...: Regular Array Setup и Custom Array Setup. Создание моделей антенных решеток, имеющих структуру, отличную от прямоугольной, с по­стоянным АФР, возможно лишь посредством второго варианта. При этом требуется сформи­ровать текстовый файл, описывающий каждый элемент в целом (рис. 3).

Для управления программой посредством кода возможны оба эти варианта. Однако во втором случае не удалось в автоматическом режиме загрузить файл конфигурации, поэто­му был написан макрос, содержащий в себе те же данные.

Для запуска программы HFSS из MATLAB используется код oAnsoftApp = actxserver('Ansoft.ElectronicsDesktop'). Далее нужно активировать рабочее пространство программы командой oDesktop=oAnsoftApp. GetAppDesktop(). Когда рабочий стол акти­вирован, можем открыть проект: oDesktop. OpenProject(file_hfss). Так как открытых в про­грамме проектов может быть несколько, то не­обходимо выбрать нужный, даже если проект один: oProject=oDesktop.SetActiveProject(hfss_ proj_name). В проекте может быть несколько дизайнов, следует сделать активным только один. Можно записать имя непосредствен­но в код, а можно получить имена дизайнов, содержащихся в проекте, и выбрать один из них: oDesign=oProject.SetActiveDesign(active_ designname).

Необходимо задействовать каждый из модулей, используемых в работе, чтобы можно было пользоваться их функциями. Например, модуль RadField позволяет управлять парамет­рами антенных решеток, областью расчета и т. д., oDesign.Solve(setupname) запускает рас­чет проекта.

После проведения расчетов результат можно сохранить в текстовый файл и загрузить их в MATLAB в качестве данных о параметрах излучателя. Формируем в MATLAB модель ан­тенной решетки:

sAnt = phased.CustomAntennaElement('Frequen cyVector',freqVector,...

'AzimuthAngles',Az, 'ElevationAngles',El,...

'MagnitudePattern',Pat_AzEl_Izl,

'PhasePattern'phasepattern);

Модель антенной решетки создает­ся средствами Phased Array System Toolbox: MATLABArray=phased.URA('Element', sAnt, 'Size', [N M], 'ElementSpacing', [dy dx], 'Lattice', 'Rectangular'). На рис. 4 представлено распо­ложение элементов решетки, созданной сред­ствами MATLAB.

Используя управление программой HFSS через MATLAB, создаем антенную решетку с постоянными шагами решетки (рис. 5), а затем - скрипт-файл, с теми же данными, которые содер­жатся в Custom Array Definition (рис. 6):

Выполнение данного кода совпадает с заданием ФАР на рис. 5. Второй метод - со­здание специального файл-скрипта (рис. 7), в котором прописаны координаты, амплитуда и фаза каждого излучателя в одну строку, что сильно усложняет код-программу из-за гро­моздкости записи данных в файл скрипта.

Итогом вышеперечисленных операций является расчет одной и той же ФАР, но разными методами. Второй метод позволяет загру­жать в HFSS данные антенной решетки любой структуры с любым заданным АФР.

ДН, полученные в результате расчетов, показаны на рис. 8. Сплошной линией изо­бражена диаграмма излучателя в составе ФАР, рассчитанная в HFSS с учетом геометрических параметров излучателя. Два других совпадаю­щих графика представляют ДН ФАР с регуляр­ными шагами излучателей, созданную и рас­считанную в HFSS под управлением MATLAB, и ФАР, созданную в MATLAB и переданную по­средством скрипт-файла для расчетов в HFSS.

Таким образом, на примере моделиро­вания ФАР с плоским раскрывом показаны основные правила организации взаимодей­ствия между программами ANSYS HFSS и MATLAB. Программа, написанная в MATLAB, являясь главной, запускает HFSS, открывает заранее разработанный файл проекта излуча­теля, управляет параметрами расчета в HFSS диаграммы одного излучателя в составе бес­конечной решетки, принимает рассчитанные данные и проводит их дальнейшую обработку по своим алгоритмам.

Отметим, что расчет характеристик ФАР с использованием MATLAB и HFSS позволяет получить следующие преимущества:

• проведение сквозной автоматизации расчетов;
• сокращение времени расчета (пример­но на треть) без потери точности полученных результатов;
• проведение под управлением MATLAB параметрической оптимизации на заданные характеристики излучения ФАР с подбором параметров излучающей системы, включая конструкцию излучателя.

Таким образом, рассмотренный подход позволяет совмещать преимущества точного моделирования отдельных СВЧ-систем ФАР в специализированных программах с програм­мами, использующими собственные алгорит­мы расчета характеристик ФАР.