giới thiệu sử dụng phần mềm HFSS

Ansoft là công ty tiên phong sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn FEM để mô phỏng trường điện từ bằng các kỹ thuật như: phần tử hữu hạn, chia lưới thích nghi, … HFSS là một hệ thống mô ph

2 Giới thiệu phần mềm HFSS :

3.2.1 Giới thiệu chung :

HFSS là viết tắt của Hight Frequency Structure Simulator HFSS là phần mềm mô phỏng trường điện từ theo phương pháp toàn sóng (full wave) để mô hình hóa bất

kỳ

thiết bị thụ động 3D nào Ưu điểm nổi bật của nó là có giao diện người dùng đồ họa

Nó tích hợp mô phỏng, ảo hóa, mô hình hóa 3D và tự động hóa (tự động tìm lời giải)

trong một môi trường dễ dàng để học, trong đó lời giải cho các bài toán điện từ 3D thu

được một cách nhanh chóng và chính xác Ansoft HFSS sử dụng phương pháp phần tử

hữu hạn (Finite Element Method, FEM), kỹ thuật chia lưới thích nghi (adaptive meshing) và kỹ thuật đồ họa Ansoft HFSS có thể được sử dụng để tính toán các tham

số chẳng hạn như: tham số S, tần số cộng hưởng, giản đồ trường, tham số γ,

HFSS là một hệ thống mô phỏng tương tác, trong đó phần tử mắt lưới cơ bản là một tứ

diện Điều này cho phép bạn có thể tìm lời giải cho bất kỳ vật thể 3D nào Đặc biệt

là

đối với các cấu trúc có dạng cong phức tạp Ansoft là công ty tiên phong sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng trường điện từ bằng các kỹ thuật

như: phần tử hữu hạn, chia lưới thích nghi, …

HFSS là một hệ thống mô phỏng tương tác, trong đó phần tử mắt lưới cơ bản là một tứ

diện Điều này cho phép bạn có thể tìm lời giải cho bất kỳ vật thể 3D nào Đặc biệt

là

đối với các cấu trúc có dạng cong phức tạp Ansoft là công ty tiên phong sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng trường điện từ bằng các kỹ thuật

như: phần tử hữu hạn, chia lưới thích nghi, …

Ansoft HFSS cung cấp một giao diện trực giác và dễ dàng sử dụng để phát triển các

mô hình thiết bị RF thụ động Chu trình thiết kế được minh họa trong hình 4.1, bao

gồm các bước sau:

1 Vẽ mô hình với các tham số cho trước: vẽ mô hình thiết bị, các điều kiện biên

và nguồn kích thích

2 Thiết đặt các thông số để phân tích: thực hiện thiết đặt các thông số để tìm lời giải

3 Chạy mô phỏng: quá trình này hoàn toàn tự động

4 Hiển thị kết quả: đưa ra các báo cáo và đồ thị trường 2D

Giao diện của HFSS và vị trí các cửa sổ trong HFSS

Hình 3.4 : Giao diện chính của chương trình HFSS

- Các cửa sổ trong giao diện chính của HFSS :

+ Project Manager:

Hình 3.5 : Cửa sổ project manager

+ Property Window :

Hình 3.6 : Cửa sổ Property Window

Quá trình mô phỏng với HFSS có thể chia ra làm các bước có thể hiểu cách làm việc tính toán theo lưu đồ sau :

Hình 3.7 : Lưu đồ làm việc của HFSS

Trong quá trình thực hiện phân tích, HFSS sẽ chia toàn bộ cấu trúc thành các tứ diện

nhỏ (gọi là mắt lưới) Hệ thống mắt lưới sẽ lấp kín toàn bộ cấu trúc Tại mỗi bước thích nghi, HFSS sẽ tính giá trị của tham số S cho từng mắt lưới Giữa 2 bước thích

nghi liên tiếp, HFSS sẽ tính gia số Delta S với công thức như sau:

Delta S = Maxij[mag(SNij – S(N-1)ij]

Trong đó i và j là chỉ số của phần tử tuơng ứng trong ma trận S và N là chỉ số của bước

thích nghi Delta S là giá trị lớn nhất của gia số của biên độ của tham số S tương ứng

HFSS sẽ so sánh giá trị Delta S này với tiêu chuẩn hội tụ do người dùng định nghĩa để

kết luận sự hội tụ của lời giải

3.2.2 Chạy mô phỏng với HFSS :

Quá trình chạy mô phỏng với HFSS :

Để mô phỏng một anten bất kì,về cơ bản ta thực hiện các bước sau:

• Chọn HFSS\Solution Type\Driven Terminal

• Chọn đơn vị là mm : 3D Modeler \ Units : chọn mm

• Dựa vào các công cụ trên thanh công cụ vẽ cấu trúc của anten vào giao diện làm việc

• Tạo Port để cấp nguồn

Chọn mặt cấp nguồn,sau đó vào HFSS\Excitation\Assign

- Nếu cấp nguồn bằng probe thì chọn Wave Port

- Nếu cấp nguồn bằng đường vi dải thì chọn Lumped Port

• Khai báo các mặt bức xạ(thường khai báo cho mặt phẳng đất): Chọn mặt bức xạ,sau đó vào HFSS\Boundaries\Assign\Perfect E

• Tạo không gian bức xạ cho anten

- Vẽ một Box bao trùm cả anten,thông thường khoảng cách từ rìa anten đến mặt box khoảng ¼ bước sóng cộng hưởng cần thiết kế sau đó vào:

HFSS\Boundaries\Assign\Radiation…

- Chọn các mặt của Box ở phía mà anten có bức xạ

- Chọn HFSS\Radiation\Insert Far Field Setup\Infinite Sphere…

- Màn hình hiện lên bảng phía Far Field Radiation Sphere Setup

- Nhập các thông số mình muốn và nhấn OK

Hình 3.8 Bảng thông số tạo môi trường bức xạ vùng xa hình cầu

• Khai báo tần số cộng hưởng mong muốn,số bước lặp và sai số lớn nhất chấp nhận được

Vào HFSS\Analysis Setup\Add Solution Setup,màn hình hiện ra một

khung như hình 3.8

- Solution Frequency: nhâp vào tần số cộng hưởng mong muốn

- Maximum Number of Passed:số bước lặp tối đa của mô phỏng

- Maximum Delta S Per Pass: sai số chấp nhận được,càng nhỏ càng chính xác

Hình 3.9 Bảng Solution Setup

Chương trình mô phỏng sẽ chạy cho đến khi sai số tính toán nhỏ hơn hoặc bằng Delta S.Khi đó xem như mô phỏng chính xác và có hội tụ (Converged).Nếu chạy hết tất cả các bước lặp mà vẫn không có sai số nào nhỏ hơn Delta S,chương trình cũng sẽ tự động dừng lại.Khi đó quá trình mô phỏng sẽ không hội tụ và cho kết quả không chính xác Muốn khắc phục ta phải tăng giá trị Detla S lên hoặc là tăng số bước lặp lên để nhận được kết quả chính xác

Tuy nhiên,nếu sai số tính ra ngay những bước lặp đầu tiên đã nhỏ hơn Delta

S thì kết quả nhận được cũng không đáng tin.Để tránh hiện tượng này ta phải giảm Delta S để tăng số bước lặp của chương trình

Thông thường nếu chương trình chạy nhiều hơn 5 bước lặp và có hội tụ thì

ta sẽ nhân được kết quả chính xác

• Khai báo vùng tần số khảo sát

- Vào HFSS\Analysis Setup\Add Sweep

- Màn hình hiện ra khung Select, chọn Setup và nhấn OK

- Màn hình hiện ra khung Edit Sweep như hình 3.10 Chọn vùng tần số

muốn khảo sát và nhấn OK

Hình 3.10 Bảng khai báo vùng tần số khảo sát

• Sau khi thực hiện tất cả công đoạn trên,ta vào HFSS\Validation Check để kiểm tra xem có sai sót gi không

Nếu không có sai sót gì,vào HFSS\Analyze và bắt đầu chạy mô phỏng

3.2.3 Xem kết quả mô phỏng

• Kiểm tra quá trình mô phỏng

- Vào HFSS\Results\Solution Data

- Trong khung Solution Data chọn thẻ Convergence.Màn hình hiện ra

bảng như hình 3.11

- Chú ý đến hai chỗ đánh dấu đỏ.Nếu có dấu Check và có Converged (hội tụ),đồng thời số bước lặp nhiều hơn 4 thì kết quả là tin cậy

Hình 3.11 Bảng Solution Data

• Hiển thị kết quả mô phỏng

- Vào HFSS\Results\Create Report

- Hiện ra khung Create Report

Hình 3.12 Bảng Create Report

- Xem hệ số phản xạ S11 hoặc trở kháng ngõ vào Z11

 Trong Report Type chọn Terminal S Parameter

 Trong Display Type chọn Rectangular Plot

 Màn hình hiện ra khung Trace

Hình 3.13 Bảng nhập số liệu để vẽ đồ thị

 Chọn các thông số của anten mà ta muồn xem rồi nhấn Add Trace

- Xem độ lợi (Gain) 3D

 Trong Report Type chọn Far Field

 Trong Display Type chọn 3D Polar Plot

 Tương tự như trên.sẽ có bảng Trace hiện ra để ta nhập các thông số muốn hiển thị

- Xác định HPBW

 Trong Report Type chọn Far Field

 Trong Display Type chọn Radiation Pattern