Пояснения к работе

Чтобы выполнить поставленное задание, прежде всего, необходимо создать проект HFSS, средствами которого будет реализовываться это задание. Проект HFSS представляет собой объединение одного или нескольких дизайнов (designs), которые сохраняются в один *.hfss файл. Пустой новый проект всегда автоматически создается при запуске HFSS. Таким образом, для выполнения работы необходимо запустить HFSS и переименовать созданный автоматически пустой проект (выполнить Save As) в соответствии с названием работы (например, Lab21 или Tee), при этом предварительно выбрав папку для сохранения внутри D:\Stud.

После этого необходимо вставить в проект пустой дизайн (design) при помощи команды Insert HFSS Design . Созданный дизайн будет вставлен в дерево проекта (по умолчанию он будет назван HFSSModel1) и отображен в окне Project Manager, при этом справа от окна Project Manager появиться окно 3D Modeler window. Рекомендуется переименовать вставленный дизайн в соответствии с наименованием разрабатываемой конструкции. Для этого следует щелкнуть правой кнопкой мышки на заголовке дизайна в дереве проекта (в окне Project Manager) и выбрать команду Rename. В данном случае может быть выбрано имя TeeModel.

Затем следует выбрать тип решения (solution type), поскольку от него зависят доступные установки. Для данного дизайна в качестве типа решения следует выбрать Driven Modal, который используется при вычислениях для выбранных мод S-параметров пассивных волноводных устройств, "управляемых" источниками. Для этого необходимо в HFSS меню (или правой кнопкой мышки на объекте дизайна TeeModel в дереве проекта) выбрать команду Solution Type.

Также заранее необходимо установить используемые единицы измерений для геометрических объектов, из которых будет составлена модель. Для данной задачи удобно будет использовать миллиметры. Для их установки следует выбрать в 3D Modeler меню команду Units и в диалоговом окне Set Model Units выбрать mm.

Затем можно приступить к рисованию рассматриваемой конструкции. Рассматриваемое T-соединение представляет собой объединение трех параллелепипедов (box), размеры которых 23×10×50 мм. Поэтому стоит сделать сначала все определения для одной box-секции данной конструкции, а последующие две воспроизвести потом путем дублирования первой секции.

Для рисования 3D box-объекта, представляющего первую секцию T-моста, следует в меню (или в toolbars) Draw выбрать команду Box . Объект 3D box формируется в три этапа: сначала указываются координаты базовой точки (base corner), относительно которой в Drawing plane (см. toolbars 3D Modeler Draw) рисуется базовый прямоугольник; затем указываются интервалы по 3 координатам относительно базовой точки, определяющие основание параллелепипеда; а затем указываются интервалы по 3 координатам относительно основания параллелепипеда, определяющие высоту параллелепипеда. Таким образом, после выбора команды Box следует выполнить следующие действия:

1. Определить координаты базовой точки – для этого нажать Tab, чтобы перейти к текстовому полю X в строке состояния; в нем ввести значение 0; затем опять нажать Tab, чтобы перейти к текстовому полю Y, и в нем ввести значение -11.5; а затем опять нажать Tab, чтобы перейти к текстовому полю Z, и в нем ввести значение 0; завершая эти действия нажать Enter.

2. Определить интервалы по 3 координатам относительно базовой точки, определяющие основание параллелепипеда – для этого ввести значения (50,23,0) в текстовых полях dX, dY, dZ и затем нажать Enter.

3. Определить интервалы по 3 координатам относительно основания параллелепипеда, определяющие высоту параллелепипеда – для этого ввести значения (0,0,10) в текстовых полях dX, dY, dZ и затем нажать Enter.

4. Определить имя введенного объекта и степень прозрачности его стенок – в появившемся окне Properties перейти на вкладку Attribute и в строке Name ввести имя объекта, например, Tee; затем перейти к строке Transparent, запустить диалоговое окно Set Transparency и в нем при помощи слайдера установить значение прозрачности 0.4; и затем нажать ОК, чтобы закрыть окно Properties.

Каждая из секций Т-моста должна начинаться портом, который будет использоваться для расчета S-параметров и для определения поля возбуждения. Поэтому для нарисованной секции Т-моста на ее лицевой стороне (face) следует определить порт возбуждения, причем для данной задачи наиболее подходит порт с названием wave port. Определим этот порт на лицевой поверхности, расположенной параллельно плоскости yz при x = 50 мм.

Чтобы определить порт на указанной лицевой стороне следует выполнить следующие действия:

1. Перейти в режим выбора лицевых поверхностей либо нажатием клавиши F, либо выбрав Face в поле списка Selection mode в панели инструментов 3D Modeler Selection.

2. Мышкой выбрать лицевую поверхность, расположенную параллельно плоскости yz при x = 50 мм. Затем правой кнопкой мышки активизировать контекстное меню и в нем последовательностью команд Assign Excitation>Wave Port запустить мастер (wizard) Wave Port.

3. В первом окне мастера в текстовом поле Name задать имя, например WavePort1, и затем нажать Next.

4. В следующем окне мастера в раскрывающемся списке Integration Line выбрать New Line. При этом произойдет переход в окно 3D Modeler window для задания направления поля возбуждения в плоскости порта. В данном случае, чтобы задать вертикальную линейную поляризацию волны Н₁₀, сначала мышкой нужно кликнуть по центру нижней границы порта, а затем – по центру верхней границы порта.

5. Затем нажать Next и перейти на последнее окно мастера, в котором завершить работу мастера нажатием кнопки Finish.

Таким образом, в результате проведенных действий имеем полностью определенную одну секцию Т-моста. Две другие секции Т-моста следует получить путем дублирования данной секции. При дублировании должна быть воспроизведена геометрия объекта со всеми его атрибутами, а также определения границ, включая сделанные установки для волнового порта. Чтобы обеспечить последнее, в меню Tools следует выбрать Options, а затем выбрать HFSS Options. В появившемся диалоговом окне HFSS Options на вкладке General следует выбрать Duplicate boundaries with geometry и затем кликнуть OK. Поскольку далее предстоит работа с объектами, в поле списка Selection mode в панели инструментов 3D Modeler Selection следует выбрать Object.

Чтобы выполнить дублирование первой секции и получить вторую секцию Т-моста, повернутую относительно первой на 90º вокруг оси Z, следует кликнуть правой кнопкой мышки на первой секции и в появившемся контекстном меню выполнить последовательность команд Edit>Duplicate>Around Axis (или нажать кнопку в соответствующей панели инструментов). В появившемся диалоговом окне Duplicate Around Axis следует выбрать ось Z, номер 2 в поле Total Number и 90º в поле Angle box, а затем нажать ОК. В результате этих действий появится новый объект Tee_1, полностью дублирующий первую секцию Т-моста. Чтобы согласовать вид обоих секций с размером окна 3D Modeler window, следует нажать Ctrl+D.

Для создания третьей секции Т-моста необходимо повторить все рассмотренные в предыдущем абзаце действия, изменив лишь значение в поле Angle box диалогового окна Duplicate Around Axis на -90º.

Затем следует объединить все три секции в один объект. Перед тем, как выполнить это, необходимо убедиться в том, что не установлена опция Clone tool objects before uniting в диалоговом окне 3D Modeler Options (для запуска этого окна необходимо в меню Tools выбрать команду Options). Затем следует выделить мышкой первую секцию, удерживая нажатой кнопку Ctrl, выделить вторую и третью секцию. Затем в 3D Modeler меню выбрать пункт Boolean и далее команду Unite . В результате выполненных действий будет получен полноценный Т-мост.

В соответствии с заданием в созданный Т-мост необходимо добавить индуктивное Е-плоскостное ребро. Для этого необходимо создать 3D box-объекта, который бы имел местоположение и размеры создаваемого ребра, а затем вычесть этот объект из ранее созданного объекта, определяющего Т-мост.

Для этого в меню Draw выбрать команду Box , установить координаты базового угла базового прямоугольника (-11.5, -1, 0), затем координаты противоположного угла базового прямоугольника путем указания координат перехода в него (11.5, 2, 0), а затем высоту 3D box-объекта путем указания координат вектора (0, 0, 10). В появившемся окне Properties на вкладке Command в строке Position установить -11.5, offset-ys/2, 0. При этом появится диалоговое окно Add Variable: для переменной offset (смещение ребра вдоль координаты Y) в поле Value установить начальное значение 0mm, а для переменной ys (толщина ребра вдоль координаты Y) в поле Value установить значение 2mm (кроме числового значения обязательно указать единицу измерения). Затем в строке XSize установить имя переменной xs (ширина ребра вдоль координаты X); в появившемся диалоговом окне Add Variable в поле Value установить значение -11.5 mm. Затем в строке YSize установить ys, в строке ZSize установить 10mm. Затем перейти на вкладку Attribute и в строке Name ввести имя объекта, например, Septum; затем перейти к строке Transparent, запустить диалоговое окно Set Transparency и в нем при помощи слайдера установить значение прозрачности 0.4; и затем нажать ОК, чтобы закрыть окно Properties.

После этого необходимо вычесть объект Septum из объекта Т-мост. Для этого сначала выделяется объект Т-мост, затем при нажатой кнопке Ctrl выделяется объект Septum, затем в 3D Modeler меню выбирается пункт Boolean и далее команда Subtract . В результате выполненных действий будет получен Т-мост с индуктивным Е-плоскостным ребром. Таким образом, объект для дальнейшего анализа и оптимизации готов.

Чтобы произвести расчет характеристик полученного объекта необходимо в проект добавить установки решения (solution setup). Для этого в дереве проекта выбирается ветвь Analysis, на которой нажимается правая кнопка мышки, и в появившемся контекстном меню выбирается команда Add Solution Setup . В появившемся диалоговом окне Solution Setup на вкладке General в поле Solution Frequency устанавливается значение 10 ГГц, в разделе Adaptive Solutions в поле Maximum Number of Passes можно оставить значение 3 и затем следует нажать кнопку ОК. В результате этих действий в дереве проекта в пункте Analysis появится подпункт Setup1.

Для расчета частотных характеристик устройства в созданные установки решения Setup1 необходимо добавить установки частотной полосы Frequency Sweep. Для этого необходимо нажать правую кнопку мышки на пункте Setup1 и в появившемся контекстном меню выбрать команду Add Sweep . В результате этих действий должно появиться диалоговое окно Edit Sweep. Чтобы не осуществлять вычисления на всех заданных частотах, в разделе Sweep Type следует выбрать тип Interpolating. В поле Max Solutions установить значение 20 (оно должно быть меньшим, чем число заданных частот). В разделе Frequency Setup установить начальную (Start 8 GHz) и конечную (Stop 12 GHz) частоту полосы, а также шаг изменения частоты (Step Size 0.1 GHz). Затем следует нажать кнопку ОК. В результате этих действий в дереве проекта у пункта Setup1 появиться подпункт Sweep1.

В результате выполненных действий все готово для расчета электромагнитного поля и всех сопутствующих характеристик проектируемого устройства. Чтобы удостовериться в правильности сделанных установок в меню HFSS следует выбрать команду Validation Check . Если проведенная проверка не обнаружила ошибок, то можно к расчету полей, который является ключевым элементом анализа проектируемого устройства, поскольку обеспечивает возможность получения всех сопутствующих характеристик проектируемого устройства. Для выполнения расчета полей необходимо в меню HFSS выбрать команду Analyze .

Чтобы отобразить полученные результаты расчетов в виде графического представления интересующих нас характеристик, необходимо в дереве проекта кликнуть правой кнопкой мышки на пункте Results и в появившемся контекстном меню выбрать команду Create Report, что приведет к появлению диалогового окна Create Report. В нем в списке Report Type следует выбрать Modal S Parameters и в списке Display Type следует выбрать Rectangular Plot, а затем нажать ОК. В результате этих действий появиться диалоговое окно Traces, в котором на вкладке Y в списке Category следует выбрать S parameter, в списке Quantity следует выбрать (удерживая нажатой Ctrl) S(Port1, Port1), S(Port2,Port1), S(Port3, Port1) и в списке Function выбрать mag, а затем нажать последовательно кнопки Add Trace и Done. В результате этих действий в дерево проекта в пункте Results будет вставлен график XY Plot 1 частотной зависимости элементов матрицы рассеяния S₁₁, S₂₁, S₃₁ волноводного делителя для полосы частот 8÷12 ГГц при симметричном расположении индуктивного Е-плоскостного ребра. Чтобы отобразить этот график в той области, где располагается 3D Modeler window, необходимо на нем выполнить двойное нажатие мышки.

Чтобы проанализировать тенденции изменений рассчитанных характеристик при перемещении Е-плоскостного ребра вдоль оси Y, необходимо поменять значение переменной offset, например на 5 мм, снова выполнить расчет полей и полученные для нового значения переменной offset характеристики отобразить на созданном ранее графике. Для этого надо перейти в дереве проекта на пункт, отображающий дизайн TeeModel; в окне Property Window (обычно располагается под деревом проекта; если оно отсутствует, активизировать его через меню View) заменить значение переменной offset на 5; запустить расчет для нового значения командой Analyze ; на имени графика в дереве проекта правой кнопкой мышки активизировать команду Modify Report …; в диалоговом окне Traces одновременно выделить все три зависимости, перейти на вкладку Sweeps, где выбрать пункт Sweep Design and Project variable values, который дает возможность отобразить на одном графике все рассчитанные характеристики; завершить диалоговое окно Traces нажатием кнопки Done.

Для понимания физики происходящих в устройстве процессов желательно выполнить визуализацию полей, возможно, с анимацией. Для этого необходимо выделить место, где будет выполняться визуализация. Например, можно выделить верхнюю поверхность (top face) Т-моста, затем правой кнопкой мышки в контекстном меню активизировать последовательность команд Plot Fields > Mag_E, в появившемся диалоговом окне нажать кнопку Done. Для временной анимации появившегося распределения поля необходимо в дереве проекта в пункте Field Overlays найти подпункт Mag_E1, щелкнуть на нем правой кнопкой мышки и в появившемся контекстном меню выбрать команду Animate… .

Максимальное число баллов за работу