1

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

2

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 menetelmääkäytettiin 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

3

1. Johdanto

• HFSS perustuu ns. 3D FEM menetelmään, jossa simuloitava alue jaetaan mukautuvasti tetrahedroilla verkoksi (adaptive mesh)

10.5.2006 5

1. Johdanto

10.5.2006 6

Mikroliuskat

Maataso

Elementti

Solmu n

wn(x,y)

4

2. Mihin HFSS:ää käytetään?

• HFSS - High Frequency StructureSimulator - 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?

10.5.2006 8

• Taajuustason analyysi

• Parametripyyhkäi-sy

• Rakenteen optimointi

• Läpiviennit rakenteessa

• Antennit• Pakkausmenetel-

mät• On-chip

komponentit• Liittimet• Aaltoputket• …

5

3. Yleisimmät HFSS sovelluskohteet

10.5.2006 9

• 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…

4. Ratkaistu data ja sen soveltaminen

10.5.2006 10

• 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

6

4. Ratkaistu data ja sen soveltaminen

10.5.2006 11

• 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

5. Ratkaisuproseduuri

10.5.2006 12

0=⋅∇

=⋅∇

+∂

∂=×∇

∂

∂−=×∇

B

D

Jt

DB

t

BE

ρ

7

5. Ratkaisuproseduuri

10.5.2006 13

Input Model ParametersGeometry

Material Properties

Boundary Condition

Define Solution CriteriaFrequency

Adaptive? Convergence Parameters?

Sweep? Sweep Parameters?

Review ResultsS-Parameters

(Tabular and Plotted)

Field Visualization

Data Output/Exportation

Perform Sweep SolutionDefine Excitation across band

Solve 3D Fields across band

Adaptive? Sweep?

Iterate on SolutionEvaluate vs. Convergence Parameters

Refine Mesh and Resolve

Exit only when Conv. Parameters Met

YES

NO

YES

NOPerform Initial SolutionGenerate Mesh

Solve Excitations

Solve 3D Fields

SOLUTION

6. Esimerkki 1: Ihmisen pään jako elementteihin

10.5.2006 14

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

8

7. Esimerkki 2: Antennimittaus-simulointi

10.5.2006 15

Vastaanotin

Näytteenottodipoli

Säteilijä

Mitattava Antenni

Tehdään kaksi eri simulaatiota….

7. Esimerkki 2: Antennimittaus-simulointi

10.5.2006 16

VastaanotinSäteilijä

….jotka yhdistetään kokonaisuudeksi.

9

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

10.5.2006 18

HFSS osana järjestelmäsimulointia

10

KIITOS!

10.5.2006 19