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Tutorial de para ensino para teste
Tipologia: Notas de estudo
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Natal – RN 2024
O software ANSYS HFSS ( High Frequency Structure Simulator ) é um software de simulação eletromagnética 3D que utiliza o método dos elementos finitos (MEF), para a análise das estruturas. Originalmente este software era dedicado à resolução de problemas em estruturas guiadas (guia de onda retangular, cilíndrico, coaxial, etc…) para os quais as bordas eram paredes metálicas perfeitas. Ao longo do tempo, este software foi aprimorado e, atualmente, permite tratar qualquer estrutura de micro-ondas, seja ela guiada ou não guiada (como as antenas), plana ou volumétrico (multicamadas), com condições de contorno de natureza diversa (paredes elétricas, magnético, absorvente, periódico, etc.). A estrutura que descrevemos trata-se de uma antena de microfita com patch retangular. A antena de microfita é apresenta uma estrutura compacta e de baixo perfil, sendo comumente utilizada em aplicações que requerem leveza, facilidade de fabricação e integração com outros circuitos. A sua estrutura física, conforme pode ser visto na figura abaixo, consiste basicamente em um substrato dielétrico que suporta uma camada metálica condutora (geralmente cobre), funcionando como o radiador da antena conhecida como patch, e um plano de aterramento na parte inferior. Figura 1 - Estrutura básica de uma antena de microfita. O objetivo deste tutorial é capacitá-lo a compreender as principais possibilidade operacionais deste tipo de software para a análise de estruturas radiantes.
1. Barra de Menu: Compreende todas as ferramentas possíveis e que podem ser acessadas ao longo da utilização do programa. A barra de menu inclui funções para salvar e arquivar os modelos no projeto, utilitários para visualização de utilização das janelas, ferramentas para modelagem, modificação das características e propriedades da simulação e análise e visualização de resultados. 2. Barra de Ferramentas: Nesta barra é possível encontrar todos os atalhos (ícones) das ferramentas fundamentais para criação e simulação do projeto. 3. Gerenciamento do Projeto: Trata-se de uma lista das etapas de execução do projeto. É uma janela de organização do projeto. Nesta janela estão categorizadas todas as ações que o projetista deverá executar para definir um projeto no HFSS: Model, Boundaries, Excitations, Mesh Operation, Analysis, Results, Port Fields Display, Field Overlays e Radiation. 4. Área de Modelagem 3D: Nesta janela é o local, onde de fato a estrutura a ser analisada é construída. Esta janela compreende duas partes importantes: Na esquerda, uma lista de todas as partes que irão compor o modelo com suas características e propriedades, e na direita o modelo propriamente dito. 5. Properties: Indicará todas as propriedades de um elemento que estiver selecionado no modelo. Nesta janela você irá encontrar desde as propriedades dielétricas até as especificações do projeto. 6. Message Maneger : Apresenta avisos e advertências ao usuário. Caso exista algum erro de projeto ao lançar a simulação, será nesta janela que o software indicara o erro a ser corrigido. 7. Progress Window: Mostra o status e progresso da simulação que se encontra em curso. Nesta janela é possível identificar o passo que a simulação está, bem como o que falta até o seu término. 2. MODELAGEM DA ANTENA Para modela a antena de microfita, utilizaremos as ferramentas de modelagem. Essas ferramentas servem para inserir e criar o modelo 3D no sistema que se deseja simular. No caso da antena de microfita, utilizaremos um sólido em formato de paralelepípedo retângulo para descrever o substrato e figuras geométricas retangulares para definir o patch e linha de alimentação. A barra de ferramentas que possibilita a criação de elementos no HFSS é mostrada na Figura 4.
Figura 4 - Barra de Ferramentas do HFSS. Em (1) temos curvas, polígonos e sólidos geométricos que podem ser modificados com as ferramentas mostradas em (2), que permitem unir, subtrair, encontrar intersecção, dividir, girar, espelhar os blocos criados. As ferramentas encontradas em (4) permitem mover, rotacionar e espelhar os elementos. Para definir o tipo de material de cada elementos, pode ser selecionado na ferramenta em (3). Inicialmente, iremos desenhar o substrato dielétrico em que a antena será impressa. Para isto, criaremos um objeto do tipo paralelepípedo clicando no ícone. Inicialmente, não nos preocuparemos com as dimensões e localização. Figura 5 - Inserindo o Substrato. Para definir as dimensões corretas do substrato você deverá seguir o seguinte caminho: clique duas vezes em “CreateBox” relativo a o objeto no menu “Solids”. A seguinte janela aparece, basta inserir as configurações das medidas da antena, bem com as coordenadas para centralizar a estruturas na origem dos eixos cartesianos.
Para o exemplo deste tutorial, utilizaremos o substrato de FR4 cujas propriedades são as seguintes: εr = 4,4; tgδ= 0,02 e espessura igual a 1,6mm. Além de escolher o material, na opção “Name” é possível alterar o nome do elemento. Neste momento, passaremos a chamar então de “Substrato”. Após a criação do substrato no modelo de simulação, deve-se agora definir o patch. Para a inserção do patch e da linha de alimentação, utilizaremos também um sólido do tipo paralelepípedo retângulo. Estes deverão ser inserido da mesma forma que foi definido o substrato, e em seguida as suas dimensões deverão ser alteradas da seguinte maneira: Figura 8 - Dimensões do Patch Figura 9 - Dimensões da Linha de Alimentação. Neste ponto, você deverá ter em sua área de modelagem os três elementos principais da estrutura da antena, conforme pode ser visto na Figura 10. De acordo com a mesma figura, percebemos que a linha de alimentação e o patch são elementos independentes, o que não corresponde na estrutura física real. Neste caso, esses elementos precisam ser unidos.
Figura 10 - Patch e Linha de Alimentação Inseridos no Design. Para unir elementos, você deverá selecioná-los e em seguida clicar no ícone: A partir deste momento, os elementos estarão unidos e serão considerados como um único elemento no projeto, como pode ser visto na Figura 11. Figura 11 - Linha de Alimentação e Patch Unidos. Para finalizar a estrutura, deve-se inserir o plano de terra. Utilizaremos o mesmo procedimento que o definido para os sólidos anteriores e ajustaremos as medidas para as seguintes:
A caixa deverá ser definida com material do tipo “ar” ou “vácuo”. Na janela de edição, sugere-se alterar o seu nome para “Caixa de Radiação” e deixar que ela esteja no máximo de transparência, para que estrutura da antena possa ser visualizada. Para a caixa de ar é preciso definir as condições de contorno. Para isso, selecione a caixa de ar, clique com o botão esquerdo do mouse se deverá seguir o seguinte passo: “Assign Boundary – Radiation ”. Figura 14 - Definindo as Condições de Contorno da Caixa de Radiação. Após a definição das condições de contorno, deve-se então especificar a forma como a antena deverá ser alimentada. 4.0 DEFININDO A FORMA DE ALIMENTAÇÃO O HFSS apresenta de dois tipos básicos de forma de alimentação WavePort e LumpedPort. Para o caso de antena de microfita, utilizaremos a forma de alimentação do tipo LumpedPort. Para isso, deveremos inserir um retângulo no plano XZ de altura igual a espessura do substrato e largura igual a da linha de alimentação. Para inserir um retângulo, deveremos utilizar o. Após inserir o retângulo, selecione-o, clic com o botão direito e escolha a opção: “ Assign Excitation – Lumped Port ”, para definir uma linha de integração.
Figura 15 - Inserindo Porta de Excitação. A linha de integração deverá ser inserida no sentido do plano de terra para o ponto em que a linha de alimentação da antena receberá o sinal que a antena deverá irradiar. Além disso, a porta deverá ser ajustada para corresponder a uma impedância de 50Ω. 5.0 AJUSTANDO OS PARÂMETROS DA SIMULAÇÃO Finalmente, você tem seu modelo pronto para ser executado. Agora você precisa identificar sua configuração de análise. Para criar uma configuração de análise, selecione o item de menu “ HFSS - Analysis Setup - Add Sweep .” Iremos realizar uma simulação de 1GHz até 10GHz, com uma frequência de malha igual a frequência de ressonância da antena, que no caso do exemplo em questão é 2,45GHz. Ao simular estruturas complexas é necessário verificar a convergência da malha. Uma simulação cuja convergência não é alcançada pode levar a resultados errôneos. As condições de convergência são definidas na configuração de medição.
Para validar o modelo, selecione o menu “HFSS - Validation Check ”. Clique no botão “ Close ”. Para visualizar quaisquer mensagens de erro ou aviso, use o “ Message Manager ”. Figura 18 - Validando os Parâmetros de Projeto. Para iniciar a simulação, selecione no menu “HFSS - Analyse” ou utilize o ícone . Figura 19 - Localização do Botão para Lançar a Simulação. Neste ponto sua simulação deverá ser inicializada e após a finalização, uma mensagem informando será indicada no Message Manager. 6.0 OBTENDO OS RESULTADOS Inicialmente, iremos obter os resultados para o parâmetro de espalhamento S 11 em dB, que corresponde ao coeficiente de reflexão da antena, em função da frequência. Para isto, deve-se segui o seguinte caminho “ Result – Create Modal Solution Data Results
- Rectangular plot ”. Figura 20 - Escolhendo o Parâmetro a ser plotado.
Neste momento, será gerado um gráfico dos valores de S11 em função da frequência, conforme pode ser observado na Figura 21. Figura 21 - S11 em Função da Frequência. Adicione marcadores para verificar se a ressonância da antena está centrada na frequência de projeto. Dê um clic com o botão direto do mouse na área de plotagem e escolha o caminho “Marker – Add Marker”, em seguida escolha o local onde deseja colocar o marcador. Figura 22 - Inserindo Marcadores nas Curvas de Resultado. Para gerar resultados de diagrama de radiação e ganho da antena, inicialmente você deverá inserir uma esfera de cálculo seguindo o comando: “Radiation – insert far field setup - infinite sphere”.
Figura 25 - Obtenção do Diagrama de Radiação 3D. Outras possibilidades de resultados como digrama de radiação polar e resultados na Carta de Smih podem ser obtidos. Basta selecionar o tipo de resultado que deseja obter em “ Create Solution Data Report ”.
