521365S Tietoliikenteen simuloinnit ja työkalut HFSS MARKO SONKKI 10.5.2006 10.5.2006 1 Sisältö: 1. Johdanto 2. Mihin HFSS:ää käytetään 3. Yleisimmät HFSS sovelluskohteet 4. Ratkaistu data ja sen soveltaminen 5. Simulointiproseduuri 6. Esimerkki 1: Ihmisen pään jako elementteihin 7. Esimerkki 2: Antennimittaus-simulointi 8. Sähkömagneettisten kenttien simulointiohjelmia 9. HFSS osana järjestelmää 10.5.2006 2 1
1. Johdanto Elementtimenetelmä FEM (Finite Element Method) on laajalti käytetty menetelmä mm. sähkömagneettisten ongelmien ratkaisemiseen Muita menetelmiä ovat: Aika-alueen differenssimenetelmä FDTD (Finite Difference Time Domain) Momenttimenetelmä MoM (Method of Moment) Ensimmäiset FEM julkaisut on tehty jo 50-luvulla Laskentatehon rajallisuudesta johtuen 70-luvulla menetelmää käytettiin lähinnä lento-, puolustus-, auto- ja atomiteollisuudessa 10.5.2006 3 1. Johdanto Nykypäivänä laskentatehon kasvaessa on ollut mahdollista ratkaista erittäin monimutkaisia rakenteita ja menetelmä onkin yleistynyt Menetelmän ideana on jakaa tarkasteltava alue pieniin osiin, joita kutsutaan elementeiksi Näiden elementtien kärkipisteitä (ja mahdollisia välipisteitä) kutsutaan solmupisteiksi 10.5.2006 4 2
1. Johdanto HFSS perustuu ns. 3D FEM menetelmään, jossa simuloitava alue jaetaan mukautuvasti tetrahedroilla verkoksi (adaptive mesh) 10.5.2006 5 1. Johdanto Elementti Mikroliuskat w n (x,y) Solmu n Maataso 10.5.2006 6 3
2. Mihin HFSS:ää käytetään? HFSS - High Frequency Structure Simulator - on ohjelmisto suuritaajuisten sähkömagneettisten kenttien simulointiin mielivaltaisissa rakenteissa Teollisuudessa yleisesti käytetty työkalu RF-, langattomien järjestelmien, koteloiden ja optoelektroniikan suunnitteluun 10.5.2006 7 2. Mihin HFSS:ää käytetään? Taajuustason analyysi Parametripyyhkäisy Rakenteen optimointi Läpiviennit rakenteessa Antennit Pakkausmenetelmät On-chip komponentit Liittimet Aaltoputket 10.5.2006 8 4
3. Yleisimmät HFSS sovelluskohteet Säteilijät / Sirottajat Planaariantennit Patch-antennit, Dipolit, Mobiilit päätelaiteantennit, Silmukka-antennit Aaltoputkiantennit Torviantennit Lanka-antennit Dipoli, Helix Muodostelmat Äärettömät antenniryhmät, Taajuusselektiiviset Pinnat (FSS) ja Photonic Band Gaps (PBG) Tutkapoikkipinta-ala Mikroaalto Filtterit Ontelofiltterit, Mikroliuskat, Dielektriset resonaattorit EMC/EMI Kytkentä, lähi- ja kaukokenttäsäteily Siirtymät Koaksiaaliliitin, Mikroliuska-aaltoputkiliitos Aaltoputket Filtterit, Resonaattorit, Suuntakytkimet jne 10.5.2006 9 4. Ratkaistu data ja sen soveltaminen Kentät Sähkökenttä Magneettikenttä Virta (Tilavuus/Pinta) Teho SAR-arvo (Specific Absorption Rate) Säteily 2D/3D Kauko- ja lähikentät 2D/3D Far-/Near-Fields Muodostelmat Säännöllinen ja Custom Setups Tutkapoikkipinta-ala 10.5.2006 10 5
4. Ratkaistu data ja sen soveltaminen Matriisidata S-, Y- ja Z-parametrit Kenttälaskuri Käyttäjä määrittelee kulloinkin laskettavat kentät ja suureet Datan esitysformaatit Tilavuus Pinta Vektori 2D-raportit - Rectangular, Polar, Smithin kartta Datan tulostus Animaatio AVI Datataulukot Grafiikka BMP, GIF, JPG,TIFF, VRML 10.5.2006 11 5. Ratkaisuproseduuri B E = t D B = + J t D = ρ B = 0 10.5.2006 12 6
5. Ratkaisuproseduuri Input Model Parameters Define Solution Criteria Geometry Material Properties Boundary Condition Frequency Adaptive? Convergence Parameters? Sweep? Sweep Parameters? Perform Initial Solution Generate Mesh Solve Excitations Solve 3D Fields Adaptive? NO Sweep? YES YES Iterate on Solution SOLUTION NO Evaluate vs. Convergence Parameters Refine Mesh and Resolve Exit only when Conv. Parameters Met Perform Sweep Solution Define Excitation across band Solve 3D Fields across band Review Results S-Parameters (Tabular and Plotted) Field Visualization Data Output/Exportation 10.5.2006 13 6. Esimerkki 1: Ihmisen pään jako elementteihin MR [mm] N Tets t Mesh [sec] 1 258604 4677 2 240681 4441 3 48961 651 4 34561 561 5 18290 366 7.5 8529 329 10 5003 291 15 1328 288 20 1328 134 25 956 291 10.5.2006 14 7
7. Esimerkki 2: Antennimittaus-simulointi Tehdään kaksi eri simulaatiota. Säteilijä Mitattava Antenni Vastaanotin Näytteenottodipoli 10.5.2006 15 7. Esimerkki 2: Antennimittaus-simulointi.jotka yhdistetään kokonaisuudeksi. Säteilijä Vastaanotin 10.5.2006 16 8
8. Sähkömagneettisten kenttien simulointiohjelmia Elementtimenetelmä (FEM) HFSS http://www.ansoft.com/products/hf/hfss/ OPERA http://www.vectorfields.com ELMER http://www.csc.fi/elmer/ Momenttimenetelmä (MoM) FEKO http://www.feko.info/ IE3D http://www.zeland.com/ Super-NEC http://www.supernec.com/ WIPL-D http://www.wipl-d.com/ Aika-alueen differenssimenetelmä (FDTD) XFDTD http://www.remcom.com/ CST Microwave Studio http://www.cst.com/ 10.5.2006 17 9. Jotta asiat eivät olisi niin yksinkertaisia HFSS osana järjestelmäsimulointia 10.5.2006 18 9
KIITOS! 10.5.2006 19 10