Тестирование систем трехмерного электромагнитного моделирования на примере волноводного двухмодового фильтра

УДК 004.942

А.Н. Колегов, Е.Ю. Узолин

Тестирование систем трехмерного электромагнитного моделирования на примере волноводного двухмодового фильтра

Приведены результаты электромагнитного моделирования волноводного двухмодового фильтра на цилиндрических резонаторах в системах трехмерного электромагнитного моделирования в сравнении с реальными характеристиками изготовленного макета. Ключевые слова: двухмодовый фильтр, электромагнитное моделирование, параметрическая оптимизация.

В настоящее время существует множество программных продуктов, предназначенных для полного трехмерного электромагнитного моделирования СВЧ-устройств. Однако идентичность результатов моделирования той или иной резонансной структуры, смоделированной в различных системах, в сравнении с реально изготовленным устройством в большинстве случаев недостижима. К примеру, при моделировании геометрически сложных несимметричных фильтрующих устройств, таких как двухмодовые фильтры, для получения характеристик, приближенных к реальным, требуется использование достаточно мелкой тетраэдральной сетки, что занимает значительные компьютерные ресурсы и время [1]. Поэтому параметрическую оптимизацию таких структур следует проводить поэтапно, постепенно уплотняя сетку для получения требуемой точности. Целью исследования являлось сравнение электрических характеристик двухмодового фильтра, полученных в различных программах, и выявление программы, наиболее подходящей для параметрической оптимизации двухмодовых фильтров на цилиндрических резонаторах.

Для тестирования были выбраны следующие программы: дWave Wizard v.7, CST STUDIO SUITE 2010, Ansoft HFSS v.12. В качестве входных данных использовалось геометрическое описание шестизвенного двухмодового фильтра, расчет которого проведен по методике [2] на центральную частоту 3675 МГц с полосой 40 МГц.

В программе дWave Wizard была построена трехмерная модель фильтра с помощью унифицированных блоков из идеального металла (PEC). Настроечные винты и винты связи реализованы блоками с квадратными винтами для более быстрой оптимизации их длин для получения приемлемых частотных зависимостей S-параметров. Дискретизация геометрии выбрана на начальном этапе оптимизации, равной 2 мм, на конечном - 0,5 мм. Частоты отсечки, учитывающие число распространяющихся типов волн в блоке, выбраны на начальном этапе - 30 ГГц, на конечном - автоматически с помощью утилиты convergence test.

Модель фильтра представлена на рис. 1. Его частотные зависимости после оптимизации методом Пауэлла, проведенной в режиме 2D FEM, показаны на рис. 2 в сравнении с характеристиками, полученными после анализа в режиме 3D FEM при дискретизации 2,5 мм и полученными экспериментальным путем. Частотный сдвиг характеристики в режиме 3D FEM объясняется недостаточной дискретизацией модели, однако уменьшение дискретизации требует значительных вычислительных ресурсов. Совпадение результатов моделирования с экспериментальными позволяет использовать 2D FEM оптимизацию для подтверждения рассчитанных параметров двухмодового фильтра путем изменения длин настроечных винтов до получения заданной характеристики.

В программе CST MICROWAVE STUDIO анализируемая структура создавалась полностью во встроенном трехмерном редакторе. В качестве материала по умолчанию использовался вакуум с идеальным металлом на границах. Настроечные винты и винты связи выбраны круглого сечения для большего сходства с реально изготовленным макетом. Выбрана тетраэдральная сетка с адаптивным разбиением и начальным числом тетраэдров 40151. Модель фильтра после разбиения на сетку показана на рис. 3.

Оптимизация длин винтов проводилась всеми доступными методами, однако получить значительных результатов не удалось. Причиной этому послужило недостаточно точное разбиение модели, вследствие чего небольшое изменение длин винтов при оптимизации не давало требуемого результата. Поэтому в качестве модели фильтра для тестирования была использована экспортированная модель из программы дWave Wizard. В ходе

моделирования были получены частотные зависимости ^-параметров в диапазоне 3,6-3,8 ГГц, которые показаны на рис. 4.

Рис. 1. Трехмерная модель фильтра, построенная в системе ^Wave Wizard

Рис. 2. Частотные зависимости модуля параметров Sn и S21, полученные в ^Wave Wizard и экспериментально

Рис. 3. Трехмерная модель фильтра с тетраэдральным разбиением

В системе Ansoft HFSS построение проводилось аналогично построению в CST, однако заняло немного меньше времени из-за возможности копирования отдельного резонатора без параметрической связи, что позволяет задать каждому винту фильтра свою длину. В ходе параметрической оптимизации также было выявлена невозможность настройки фильтра до приемлемого уровня возвратных потерь в полосе пропускания. На рис. 4 представлены характеристики модели фильтра из дWave Wizard, посчитанные в полосе 3,6-3,8 ГГц при адаптивном разбиении с начальным числом тетраэдров 58539.

3,6 3,62 3,64 3,66 3,6В 3,7 3,72 3,74 3,76 3,7В 3,8

О -

-10

-20

-30

-40

-ВО

-60

-70

-ВО

В таблице приведены средние показатели производительности сравниваемых систем при параметрах моделирования, описанных выше.

Результаты тестирования

Система Время построения*, мин Время моделирования*, мин Время оптимизации*, ч

^Wave Wizard 30 3

CST 60 8 -

HFSS 50 15 -

* - при использовании ПК с ЦП Core Duo 3,16 ГГц и 3,25 ГБ ОЗУ.

В ходе проведенного тестирования было доказано, что для моделирования такой сложной СВЧ-структуры, как двухмодовый фильтр на цилиндрических резонаторах, наиболее подходит программа электромагнитного моделирования дWave Wizard от компании Mician. В случае параметрической оптимизации эта система единственная справилась с поставленной задачей. Также стоит отметить, что и другие программы пригодны для моделирования данных фильтров, но только с целью проверки их соответствия заданному диапазону частот.

Литература

1. The 2000 CAD Benchmark [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http: //img.cmpnet .com/edtn/europe/mwee/pdf/CAD. pdf

2. Колегов А.Н. Расчет волноводного СВЧ-мультиплексера С-диапазона // Научная сессия ТУСУР-2010: матер. докл. Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 4-7 мая 2010 г. - Томск: В-спектр, 2010. - Ч. 4. - С. 33-35.

V ? ** yC

Ii// 1/4 / N L Д

I г / \ / \ S\\

Ii 7 1 } ft J \L

I -"T f Ш1

If / I „ jr J Ik'llll

1J \ f 1 I NIILlll

1J V \ 1 \  III л III Sil (MWWJ

1 jf I f III till :

г 1 1 _l_ ! 1 III Bill -11 1ь.л\м\м\

¡11 1, Г I il пл -1 ir-ç-n

— — — — — — — — if 5Î 1 — =1 1 l U — — — — — — — — — — — — — _ - _

— — — — — — — — Iii Ш 1 -Ш 1 — — — — — — — — — — — — —

i'I' 1 t I 1 1 у г г. -S21 (С5Т) =

Iii a 11

_ _ _ _ _ _ _ _ II L _ Zl I _ 1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _О 1 -1 { LI СГ Г Ii _

— — — — — — — — dl 4f — — - у 1 s ь_ — — — — — — — — — -i-L-L ^nr^ij —

> Jtf I s, ч к Г _Ç 11 iHFtO

£ 1 1 1 я £ ч и

1 1 1 J \  ч

У 1 Iff N ч

г Iff 1J ч V ч

> fr Г J Ч Ч S

> г Л F 1 V 5

j г / 1 ч ч

> Г / s ч S

г s ч h.

у ч V, ч

s ч V ч,

У Ч V * •ч.

ч Ч •ч.

ч ч

T

I

_ _

Рис. 4. Частотные зависимости, полученные при моделировании

Колегов Александр Николаевич

Аспирант каф. радиотехнических систем ТУСУРа, инженер-конструктор 3-й кат. ОАО «ИСС», г. Железногорск Тел.: +7-983-202-99-58 Эл. почта: Aleksaurus@ya.ru

Узолин Евгений Юрьевич

Аспирант каф. радиотехнических систем ТУСУРа, инженер-конструктор 3-й кат. ОАО «ИСС» Тел.: +7-923-324-64-55 Эл. почта: armilion@sibmail.com

Kolegov A.N., Uzolin E.Y.

The test of 3D electromagnetic simulation with dual-mode waveguide filter as an example

The results of electromagnetic simulation of dual-mode waveguide filter on cylindrical resonators in 3D EM simulation systems are presented in comparison with real characteristics of a prototype. Keywords: dual-mode waveguide filter,EM simulation,parametrical optimization.