CC BY
52
I ISSN 2542-0542 Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей» | № 3, 2019
УДК 621.396.6
И. А. Кузнецов, А. Н. Грибанов, А. А. Курушин, Г. Ф. Мосейчук, А. И. Синани Электродинамические расчеты в ANSYS Electronics Desktop под управлением программы, разработанной в MATLAB
Рассмотрены методы управления процессом моделирования электродинамических структур в программе ANSYS Electronics Desktop (прежнее название ANSYS HFSS). Головной являлась программа MATLAB. Передача данных в программу ANSYS Electronics Desktop выполнена с помощью технологии Microsoft Component Object Model, которая позволяет объединять компоненты программного обеспечения в приложения. На примере моделирования фазированной антенной решетки с плоским раскрывом показаны возможности и ограничения в управлении программой ANSYS HFSS с последующим сохранением информации в текстовый файл и его импорта в MATLAB для дальнейших расчетов. Представлены результаты моделирования фазированной антенной решетки в программе ANSYS Electronics Desktop по модели решетки, составленной в MATLAB.
Ключевые слова: электродинамическое моделирование, управление программой, фазированная антенная решетка, диаграмма направленности, MATLAB.
Математическое моделирование является неотъемлемой частью проектирования сверхвысокочастотных (СВЧ) устройств любой сложности, поскольку позволяет без натурных испытаний определить характеристики разрабатываемого устройства.
Разработка фазированной антенной решетки (ФАР) и активной фазированной антенной решетки (АФАР), работающих в СВЧ-диа-пазоне частот, нуждается в моделировании функционирования отдельных устройств и систем на электродинамическом уровне. Для этого часто используют специализированные программы, например ANSYS HFSS [1, 2], CST Studio Suite, Altair FEKO. Эти программы при умелом применении довольно точно рассчитывают СВЧ характеристики, однако требуют большого времени счета и персонального компьютера (ПК) высокой производительности. Поэтому их целесообразно использовать при решении задач, для которых необходимо точное электродинамическое моделирование, например:
• выбор конструкции излучателя с учетом требований на диаграмму направленности (ДН) одного излучателя в составе многоэлементной ФАР;
• расчет амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик распределительной системы;
© Кузнецов И. А., Грибанов А. Н., Курушин А. А., Мосейчук Г. Ф., Синани А. И., 2019
• учет влияния краевых эффектов на характеристики направленности;
• учет влияния окружающих объектов и т. д.
В то же время большинство характеристик направленности многоэлементных ФАР может с достаточной для практики точностью рассчитываться с помощью алгоритмов, не предъявляющих особых требований к вычислительным средствам и средам программирования, и подобные задачи чаще всего невозможно решить с помощью программ СВЧ-моделиро-вания. К таким задачам относятся:
• выбор базовых геометрических параметров раскрыва плоской ФАР: размеров апертуры, расчет границ однолучевой зоны и т. д.;
• выбор амплитудного распределения для обеспечения заданных характеристик излучения по суммарному и разностным каналам, включая пеленгационные характеристики;
• расчет ДН при сканировании с учетом ошибок реализации амплитудно-фазового распределения (АФР);
• формирование лучей специальной фор- —
га
мы (одномерно и двумерно расширенных, ко- |
секансных); ^
• расчет точности установки луча в за- | данное направление; 3
• работа с динамическими диаграммами; я
• поддержка операций настройки ФАР/ | АФАР; |
• учет особенностей цифрового диаграм- | мообразования и т. д. ^
I Электроника. Радиотехника |
Tfr -
Поэтому необходимо так построить программы поддержки разработок ФАР, чтобы в рамках одного пакета программ гибко совмещать средства точного и быстрого моделирования. Одной из самых быстро развивающихся и перспективных сред математического и инженерного моделирования в настоящее время является MATLAB [3, 4]. Покажем на примере моделирования ФАР с плоским раскрывом основные правила организации такого взаимодействия между программами ANSYS HFSS и MATLAB.
Управление с помощью MATLAB процессами, протекающими в HFSS, заключается во взаимодействии компонент программного обеспечения в операционных системах Windows. Каждая программа делится на различные компоненты, например, навигации, вставки и др.
Основой для объединения компонент программного обеспечения в приложение служит Microsoft Component Object Model (COM). Это средство, использующее объектно-ориентированные языки программирования последней модификации. Здесь компоненты запускаются компиляцией кода, и исходный код можно написать в любой из доступных программ программирования, поддерживающей СОМ. Для данного случая СОМ-клиентом будет программа ма, которая контролирует, т. е. MATLAB. А в п качестве COM-объекта выступит программа, ^ которую нужно контролировать, т. е. HFSS.
В MATLAB для создания СОМ-сервера £ используется команда actxserver(progid'), где <f progid - это идентификатор программы, по те которому ее можно вызвать. Обычно эта за-jj пись появляется в реестре с установкой новой q программы: HKEYCLASSESROOT/progid. о5 Программу HFSS (AEDT) можно пред-
I ставить в виде блоков (рис. 1), которые отражают последовательность обработки потока J данных.
g Функции блоков, представленных на рис. 1,
ь следующие:
m • oDesktop является объектом рабочего
пространства (открывает доступ к функции обновления рабочего окна программы);
о
™ • oProject открывает доступ к функциям
8 управления проекта;
w • oDesign открывает доступ к функциям
и управления конкретного дизайна;
Рис. 1. Структура связи в HFSS
• oEditor позволяет пользоваться функциями копировать, вырезать, вставить, функциями объединения геометрии (Unite) и др.;
• oModule позволяет управлять папками Boundaries или Excitations и др.
Например, в последовательности может быть несколько блоков oProject, которые активируются командой oProject = oDesktop. SetActiveProject(hfss_proj_name).
Эта команда выполняется в результате выбора проекта HFSS. В данном случае команда oDesktop выступает в роли функции, а SetActiveProject(value) - аргумента.
Через MATLAB можно создавать макросы для каждой из программ, которые от кода в MATLAB отличаются лишь языком описания. Так как для HFSS используют VBScript (Visual Basic Script), то макросы используют тот же код. Макросы дают возможность использовать данные моделирования внутри программы и тем самым применять собственные алгоритмы постобработки данных. В некоторых случаях уместно создавать макросы вместо построчного выполнения кода в MATLAB.
В качестве излучателя в «бесконечной» ФАР, работающей на частоте 10 ГГц, используем рупор (рис. 2), его модель заранее выполнена в программе HFSS Antenna Design Kit. Создадим в MATLAB модель плоской антенной решетки и загрузим данные в программу HFSS для расчета электродинамическими методами.
Можно выделить два разных способа построения антенной решетки в HFSS, которые доступны в меню Antenna Array Setup...: Regular Array Setup и Custom Array Setup. Со-
I ISSN 2542-0542 ВестникКонцернаВКО«Алмаз-Антей»| №3,2019
0 45 90 (шш)
Рис. 2. Модель излучателя ФАР в HFSS
здание моделей антенных решеток, имеющих структуру, отличную от прямоугольной, с постоянным АФР, возможно лишь посредством второго варианта. При этом требуется сформировать текстовый файл, описывающий каждый элемент в целом (рис. 3).
S.48000004+02 1.1250000е-01 S,7500000«-02 6.2500Q004-02 3.7S000004-02 1.2500000«-02 -1.25000004*02 -3.75000004-02 -6-2500000«-02 -8.75000004-02 -1.12500004-01 -1.Э750000е-01 2,1250000*-01 1.87500004-01 1.6250000е-01 1.37500004-01 1.12S00004-01 S.'500000e-02 6.25000004-02 3,'500000е-02 1.2500000е-02 -1.25000004-02 -3.?500000е-02 -6.2500000е-02 ■Sr 75000004-02 -1.12500004-01 -1.37SOOOOe-Ol -1,62500004-01 -1.37500004-01 2. 62S00004-01
-4.г000000е-01 -4.35000004-01 -4.20000004-01 -4.35000004-01 -4.20000004-01 -4.35000004-01 -4.2 0000004- 01 -а. 35000004-01 -4.20000004-01 -4.35000004-01 -4.2000000е-01
- 3.9000000«-01 -4.05000004-01 -3.9000000е-01 -4.05000004-01
- 5.90000004-01 -4.05000004-01
- 3. 9С000004 - 01 -4.05000004-01 -3.9000000«-01 -4.05000004-01 -3.90000004-01 -4.0500000е-01 -3.90000004-01 -4.05000004-01 -3.9000000е-01 -4.05000004-01 -3. 904300004- 01 -5.60000004-01
0.0000000е+00 0.00000004+00 0.00000004+00 о.ооооооое+оо 0-0000000е+00 0.00000004+00 0.00000004+00 0-00000004+00 0.00000004+00
о.ооооооое+оо
0.ОООООООе+ОО 0.ОООООООе+ОО 0.00000004+00 0.0000000е+00 0.00000004+00 о.ооооооое+оо 0.0о00000е+00
0.00000004+00 0.00000004+00 0.ОООООООе+ОО 0.00000004+00
о.ооооооое+оо
0.0000000е+00 0.00000004+00 0.00000004+00 0.ОООООООе+ОО О,0000000е+00 0.00000004+00
о.ооооооое+оо
1.ОООООООе+ОО ОООООООе+ОО 1.ОООООООе+ОО
i.ооооооое+оо
1.ОООООООе+ОО 1.ОООООООе+ОО 1,ОООООООе+ОО I.ОООООООе+ОО 1.ОООООООе+ОО
1.ооооооое+оо
1.ОООООООе+ОО 1.ОООООООе+ОО 1.ОООООООе+ОО 1-ОООООООе+ОО 1.ОООООООе+ОО i.ооооооое+оо
1.ОООООООе+ОО 1,ОООООООе+ОО 1.ОООООООе+ОО 1-ОООООООе+ОО 1.ОООООООе+ОО
1.ооооооое+оо
1.ОООООООе+ОО 1.ОООООООе+ОО 1.ОООООООе+ОО 1.ОООООООе+ОО 1.ОООООООе+ОО 1.ОООООООе+ОО i,ооооооое+оо
О.00000004+00 0.00000004+00 0.00000004+00 0.00000004+00 0.00000004*00 0.00000004+00 0.00000004+00 0.00000004+00 0.00000004+00 0.00000004+00 0.00000004+00 0.0000000«+ 00| 0.00000004+00 0.00000004+00 0.00000004+00 0.00000004+00 0-00000004+00 0.00000004+00 0.00000004+00 0.ОООООООе+ОО 0.00000004+00 0.00000004+00 0.00000004+00
о.ооооооо«+оо
0.00000004+00 0.ОООООООе+ОО
0.0000000«+оо
0.00000004+00 0.00000004+00
Рис.
3. Текстовый файл конфигурации антенной решетки
один: oProject=oDesktop.SetActiveProject(hfss_ proj_name). В проекте может быть несколько дизайнов, следует сделать активным только один. Можно записать имя непосредственно в код, а можно получить имена дизайнов, содержащихся в проекте, и выбрать один из них: oDesign=oProject.SetActiveDesign(active_ designname).
Необходимо задействовать каждый из модулей, используемых в работе, чтобы можно было пользоваться их функциями. Например, модуль RadField позволяет управлять параметрами антенных решеток, областью расчета и т. д., oDesign.Solve(setupname) запускает расчет проекта.
После проведения расчетов результат можно сохранить в текстовый файл и загрузить их в MATLAB в качестве данных о параметрах излучателя. Формируем вMATLAB модель антенной решетки:
sAnt = phased.CustomAntennaElement('Frequen cyVector',freqVector,...
'AzimuthAngles'Az, 'ElevationAngles',El,...
'MagnitudePattern',Pat_AzEl_Izl, 'PhasePattem',phasepattem);
Модель антенной решетки создается средствами Phased Array System Toolbox: MATLABArray=phased.URA('Element', sAnt, 'Size', [NM], 'ElementSpacing', [dy dx], 'Lattice', 'Rectangular'). На рис. 4 представлено расположение элементов решетки, созданной средствами MATLAB.
Для управления программой посредством кода возможны оба эти варианта. Однако во втором случае не удалось в автоматическом режиме загрузить файл конфигурации, поэтому был написан макрос, содержащий в себе те же данные.
Для запуска программы HFSS из MATLAB используется код oAnsoftApp = actxserver('Ansoft.ElectronicsDesktop'). Далее нужно активировать рабочее пространство программы командой oDesktop=oAnsoftApp. GetAppDesktop(). Когда рабочий стол активирован, можем открыть проект: oDesktop. OpenProject(file hfss). Так как открытых в программе проектов может быть несколько, то необходимо выбрать нужный, даже если проект
Рис. 4. Расположение излучателей модели ФАР
в MATLAB
Используя управление программой HFSS через MATLAB, создаем антенную решетку с постоянными шагами решетки (рис. 5), а затем -скрипт-файл, с теми же данными, которые содержатся в Custom Array Definition (рис. 6):
X (U
ч
а
ÜL
ГС
о р
ё
ф ц
(Ч
ф
| Электроника. Радиотехника|
о
CV
<t
I
м те
г
о ой
CP ф
£
и
V
со
сч
■Clin
с?
сч
■Clin
CV
(П (П
Antenna Array Setup
fimy Type RegiiarAr^ | Frffl CftH Posfcon
T~3 Y F
Г~3 гГ
и Vta«- х ¡1 T |0 2 I"
V V'edor X |0 y ji г 1°
Cttt**« BKIVM^ Cefa
kl U Breaor ;э OS т| hVЬевюп ¡0.05 1 А
üsnburfCtb
In U [ZS ki'Cnsn -2S
'" . м ' cm j- z^-
C Us? Cutiom Scan P Uk WfmMl Phae ЯЛ
H> Tips'
InUQwticn jö hVDrtdkyi [ü"
1= 1 А
1" 1 Л
!o 1 d
OK I От*чна \ Счннн
Number of cells: 625
Xoootd Y coord 2cot*d Amplitude Phase
i ■600mm 600mm 0mm lOOOtrt/ Odeg
г ■600mm 550hrm 0mm loootiw Odeg
Э ■600mm 500mm 0mm lOOOtrW Odeg
-600mm 450mm Omm lOOOnW Odeg
£ '600mm 400mm Omm lOOOrrf/ Odeg
а ■600mm 350mm Omm lOOOnW Odeg
T '600mm 300mm Omm lOOOnW Odeg
а ■600mm 250mm 0mm 1000rfW Odeg
g -600mm 200mm 0mm 1000^ Odeg
10 -600mm 150mm 0mm 1000tri/ Odeg
1Л -600mm 100mm 0mm ЮОвгА1 Odeg
IT -600mm 50™n 0mm 1000tri/ Odeg
13 -600mm 0mm 0mm 1000rcW Odeg -
"¡ЯГ
Рис. 5. Задание ФАР в HFSS с регулярными шагами излучателей
oModuleRad.EditAntennaArraySetup({'NAME:A rraySetuplnfo', 'UseOption: = ', 'RegularArray',...
{'NAME:RegularArray', 'NumUCells: = ', N, 'NumVCells: = ', M,...
'CellUDist: = ', dx, 'CellVDist: = ', dy,...
'UDirnX: = ', 1, 'UDirnY: = ', 0, 'UDirnZ: = ', 0,...
'VDirnX: = ', 0, 'VDirnY: = ', 1, 'VDirnZ: = ', 0,...
'FirstCellPosX: = ', 0, 'FirstCellPosY: = ', 0, 'FirstCellPosZ: = ',0,...
'UseScanAngle: = ', 'false', 'ScanAnglePhi: = ',0, 'ScanAngleTheta: = ',0,...
'UDirnPhaseShift: = ', 0, 'VDirnPhaseShift: = ', 0}});
Выполнение данного кода совпадает с заданием ФАР на рис. 5. Второй метод - создание специального файл-скрипта (рис. 7), в котором прописаны координаты, амплитуда и фаза каждого излучателя в одну строку, что сильно усложняет код-программу из-за громоздкости записи данных в файл скрипта.
Итогом вышеперечисленных операций является расчет одной и той же ФАР, но разны-
Рис. 6. ФАР, разработанная в МЛТЬЛБ и представленная в ИГББ
ми методами. Второй метод позволяет загружать в данные антенной решетки любой структуры с любым заданным АФР.
ДН, полученные в результате расчетов, показаны на рис. 8. Сплошной линией изображена диаграмма излучателя в составе ФАР, рассчитанная в с учетом геометрических параметров излучателя. Два других совпадающих графика представляют ДН ФАР с регулярными шагами излучателей, созданную и рассчитанную в под управлением МЛТЬЛБ, и ФАР, созданную в МЛТЬЛБ и переданную посредством скрипт-файла для расчетов в НР££.
Таким образом, на примере моделирования ФАР с плоским раскрывом показаны основные правила организации взаимодействия между программами ЛЫ8У8 и МЛТЬЛБ. Программа, написанная в МЛТЬЛБ, являясь главной, запускает открывает заранее разработанный файл проекта излучателя, управляет параметрами расчета в диаграммы одного излучателя в составе бесконечной решетки, принимает рассчитанные данные и проводит их дальнейшую обработку по своим алгоритмам.
BSSäStil^iil
№«An>p№ №* oDtakti
Dta oPro|ed (Kb eUeaig
Sei Mb»üU w l Ccc»icQbperta**«Ht*t.HN*$(*ifiilnicri*<*'l
Sot oProjttl Sei оО*«Ц> SctotfaMt ■ uO*«4l0p,C»4lclivrF4iPc4| nlYriJrrl i.rlArhwtbrOqnl - oDc о 1 g n. ffla«üti/1 ayfWML:CtiSlDmArray". "KwiCtlK:-,,.S7b. AmyfWMC:CcV. ArreyTNAMLX "Лис»-. Ol. Anyf
Рис. 7. Структура скрипт-файла с данными ФАР
| ISSN 2542-0542 Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей» | № 3, 2019
-80
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 0,град
Рис. 8. ДН излучателя и ФАР, рассчитанные разными способами
Отметим, что расчет характеристик ФАР с использованием МЛТЬЛБ и НЕББ позволяет получить следующие преимущества:
• проведение сквозной автоматизации расчетов;
• сокращение времени расчета (примерно на треть) без потери точности полученных результатов;
• проведение под управлением МЛТЬЛБ параметрической оптимизации на заданные характеристики излучения ФАР с подбором параметров излучающей системы, включая конструкцию излучателя.
Таким образом, рассмотренный подход позволяет совмещать преимущества точного моделирования отдельных СВЧ-систем ФАР
в специализированных программах с программами, использующими собственные алгоритмы расчета характеристик ФАР. Список литературы
1. ANSYS. URL: http://www.ansys.com (дата обращения 10.10.2018).
2. Банков С. Е., Гутцайт Э. М., Курушин А. А. Решение оптических и СВЧ задач с помощью HFSS. М.: Оркада, 2012. 250 с.
3. Mathworks. URL: http://www.mathworks.com (дата обращения 10.10.2018).
4. Ануфриев И. Е. Самоучитель MATLAB 5.3/6.Х. СПб.: БХВ-Петербург, 2003. 736 с.
Поступила 29.11.18
Кузнецов Иван Алексеевич - инженер Акционерного общества «Научно-исследовательский институт приборостроения имени В. В. Тихомирова», г. Жуковский.
Область научных интересов: электродинамическое моделирование антенных устройств, радиотехнические системы специального и гражданского назначения.
Грибанов Александр Николаевич - кандидат технических наук, начальник сектора Акционерного общества — «Научно-исследовательский институт приборостроения имени В. В. Тихомирова», г. Жуковский. |
Область научных интересов: математическое моделирование характеристик излучения ФАР и АФАР, фазовый * синтез лучей специальной формы, измерение и обработка динамических диаграмм направленности. ^
ч
Курушин Александр Александрович - кандидат технических наук, доцент кафедры радиотехнических приборов и антенных систем Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего те образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ», г. Москва. |
Область научных интересов: программы электродинамического моделирования, радиотехнические системы ^ специального и гражданского назначения. Ё
I Электроника. Радиотехника|
m
Мосейчук Георгий Феодосьевич - начальник лаборатории Акционерного общества «Научно-исследовательский институт приборостроения имени В. В. Тихомирова», г. Жуковский.
Область научных интересов: активные и пассивные антенные решетки, СВЧ-техника, управление формой диаграмм направленности и режимами излучения, методы антенных измерений, в том числе динамические диаграммы направленности, настройка ФАР и АФАР.
Синани Анатолий Исакович - кандидат технических наук, заместитель генерального директора по научной работе в Акционерном обществе «Научно-исследовательский институт приборостроения имени В. В. Тихомирова», г. Жуковский.
Область научных интересов: радиотехнические системы специального и гражданского назначения и др.
Electrodynamic computations using ANSYS Electronics Desktop software controlled by a program developed in the MATLAB environment
The paper considers methods of controlling the process of electrodynamic structure simulation in the ANSYS Electronics Desktop software (previously known as ANSYS HFSS). The MATLAB software was leading the computation. In order to transmit data to the ANSYS Electronics Desktop software we employed the Microsoft Component Object Model technology, which makes it possible to combine software components into executables. We used simulation of a planar aperture phased antenna array to show the possibilities and limitations in controlling the ANSYS HFSS software subsequently outputting data to a text file and importing the latter into MATLAB for further computation. We present simulation results for a phased antenna array generated by the ANSYS Electronics Desktop software according to the array model compiled in MATLAB. Keywords: electrodynamic simulation, software control, phased antenna array, radiation pattern, MATLAB.
Kuznetsov Ivan Alekseevich - Engineer, Joint Stock Company "V. Tikhomirov Scientific Research Institute of Instrument Design", Zhukovskiy.
Science research interests: electrodynamic simulation of antenna devices, radioengineering systems for military and civilian use.
Gribanov Aleksandr Nikolaevich - Candidate of Engineering Sciences, Head of Sector, Joint Stock Company o> "V Tikhomirov Scientific Research Institute of Instrument Design", Zhukovskiy.
Science research interests: mathematical modelling of phased array and active electronically scanned array radiation m characteristics, phase synthesis of special beam shapes, dynamic radiation pattern measurement and processing.
Ol
Kurushin Aleksandr Aleksandrovich - Candidate of Engineering Sciences, Department of Radio Devices and Antenna S Systems, National Research University Moscow Power Engineering Institute, Moscow.
** Science research interests: electrodynamic simulation software, radioengineering systems for military and civilian use.
| Moseychuk Georgiy Feodosevich - Head of Laboratory, Joint Stock Company "V. Tikhomirov Scientific Research
Institute of Instrument Design", Zhukovskiy. § Science research interests: active and passive antenna arrays, microwave technology, radiation mode and pattern shaping, antenna measurement methods, including dynamic radiation patterns, phased array and active electronically scanned array setup.
OQ
Sinani Anatoliy Isakovich - Candidate of Engineering Sciences, Deputy General Director in Research Work, Joint Stock | Company "V. Tikhomirov Scientific Research Institute of Instrument Design", Zhukovskiy. i Science research interests: radioengineering systems for military, civilian and other uses.
