Современные радиоэлектронные системы и устройства окружают нас повсюду — они широко используются в бытовой, промышленной, научной, медицинской сферах, и даже в повседневной жизни: сегодня сложно представить наши будни без сотовой связи или, например, беспроводных наушников. Все эти ставшие уже привычными устройства и технологии — результат технологического прогресса, который требует от инженеров разработки все более сложных устройств, что, в свою очередь, влечет за собой увеличение сроков проектирования и затрат.
Сократить количество натурных испытаний, повысить качество изделия без лишних временных и денежных затрат при проектировании помогают современные решения для численного электромагнитного моделирования. Среди таких программ распространены Ansys HFSS, CST Microwave Studio, Keysight EMPro и другие. Однако, в этом перечне до недавнего времени не было ни одного российского конкурентного решения.
Ситуацию исправил Севастопольский государственный университет. СевГУ разработал полностью отечественную САПР "Гамма", которая по точности моделирования не уступает своим зарубежным аналогам. В данной статье мы рассмотрим основные возможности российского решения для численного электромагнитного моделирования.
САПР "Гамма" представляет собой программный комплекс автоматизированного проектирования и моделирования сложных высокочастотных радиоэлектронных систем, таких как:
- антенно-фидерные устройства,
- ВЧ и СВЧ печатные платы,
- элементы СВЧ цепей (линии передач, фильтры, делители и т. п.),
- резонаторы.
Программный продукт отлично подойдет для разработки различных конструкций антенн, в том числе для систем связи LTE, 5G.
Интерфейс программного комплекса современный и удобный: всю работу можно выполнять в режиме единого окна, поддерживается построение иерархического дерева проекта и адаптивный редактор свойств.
3D редактор "Гамма" поддерживает импорт моделей из основных CAD систем, также доступен широкий инструментарий для создания и редактирования геометрических объектов, а для упрощения создания сложных или специфических объектов (антенные решетки, модели головы и рук и др.) могут быть использованы специализированные инструменты. Стоит отметить и возможность добавления переменных и параметрических объектов для выполнения параметрического анализа.
"Гамма" включает три основных расчетных модуля:
- базовый модуль трехмерного высокочастотного моделирования,
- анализатор радиочастотных цепей,
- модуль трассировки лучей, обеспечивающий анализ распространения электромагнитных волн на большие расстояния.
В качестве основного инструмента компьютерного моделирования высокочастотных электромагнитных полей используется метод конечных элементов в частотной области. Метод основан на разбиении объема рассматриваемой области на ячейки тетраидальной формы, образующей непрерывную сетку; процесс создания расчетной сетки полностью автоматизирован. Кроме того, для повышения точности расчета используется процесс адаптивного улучшения сетки методом локального сгущения.
В "Гамме" возможно выполнение нескольких типов анализа:
- решение задач с источниками (например, сосредоточенный или волноводные порты),
- анализ на собственные частоты,
- специальный режим анализа на электромагнитную совместимость / интерференцию.
Для ускорения расчета и моделирования сложных задач поддерживаются параллельные вычисления с возможностью удаленного запуска на высокопроизводительных кластерах, работающих под управления ОС Windows или Linux.
В дополнении к методу конечных элементов доступен решатель, основанный на методе конечных разностей во временной области. Он обеспечивает быстрый анализ сложных, максимально детализированных и масштабных моделей в широкой полосе частот с возможностью применения видеокарт для ускорения расчета (поддержка CUDA вычислений). Такие расчеты применяются в первую очередь для моделирования антенн и антенных решеток, записываемых сосредоточенными портами.
В последних версиях САПР "Гамма" особое внимание уделяется моделированию антенных решеток — теперь на всех этапах проектирования реализованы инструменты, упрощающие их создание и анализ. Например, в трехмерном редакторе реализован помощник создания прямоугольных антенных решеток, позволяющий размножить один излучатель на всю группу с сохранением всех свойств и зависимостей.
Во время анализа результатов можно задавать распределение фаз и амплитуд для устройства, а усовершенствованный анализатор диаграмм излучения позволяет при изменении фаз управлять лучом в реальном времени. При исследовании характеристик антенных решеток, применяемых в системах связи следующего поколения, доступны системы генерации всех возможных состояний диаграммы и оценки покрытия, суммарный охват для нескольких антенных решеток и другие возможности.
Помимо трехмерного электромагнитного анализа в "Гамме" выполнен простой и удобный анализатор радиочастотных цепей — например, для согласующих цепей, фильтров, цепей развязки. Анализатор поддерживает работу с параметрами многополюсного СВЧ, а также добавление пассивных СВЧ компонентов, таких как индуктивность, емкость, делители, линии задержки. При этом анализ и настройка цепей осуществляются в реальном времени с возможностью автоматической оптимизации параметров цепей. В качестве результатов анализатора цепей выступают параметры матриц рассевания, сопротивления и проводимостей, коэффициент стоячей волны и диаграмма Смита.
В состав программного комплекса "Гамма" также входит модуль квазиоптического моделирования, который позволяет анализировать распространение электромагнитных волн на большие расстояния с применением метода трассировки лучей. В данном модуле реализована физически достоверная модель распространения электромагнитных волн, включающая учет множественных отражений, проникновения через препятствия и дифракцию.
Поддерживаются два типа расчета:
- Анализ телекоммуникационных систем, позволяющий провести расчет распространения радиочастотного сигнала между передающей и приемной антеннами в реальных условиях внутри или вне помещений (анализ точка - точка).
- Анализ параметров излучения антенны с учетом ее окружения, например, антенны, установленной внутри транспортного средства или здания (анализ покрытия точка - область).
"Гамма" поддерживает полный цикл проектирования систем беспроводной связи — например, систем, работающих в диапазоне частот до 6 ГГц (Wi-Fi, Bluetooth, LTE связь, низкочастотных поддиапазон 5G), и систем связи миллиметрового диапазона.
Также важно отметить, что в программном комплексе реализован сквозной процесс моделирования систем связи.
- На первом этапе антенные системы пользовательских устройств и базовых станций могут быть спроектированы и рассчитаны с помощью трехмерного электромагнитного моделирования.
- Затем результаты моделирования отдельных устройств применяются для расчета крупномасштабной инфраструктуры в модуле коммуникационного анализа с моделированием распространения сигнала внутри и снаружи помещений для оценки покрытия и планирования сетей.
- В результате коммуникационного анализа рассчитываются такие параметры беспроводных сетей как мощность принятого сигнала и пропускная способность канала передачи данных в тех или иных точках внутри помещения или в пределах городского квартала.
Результаты моделирования в САПР "Гамма" неоднократно сравнивались с ведущими программными комплексами электромагнитного моделирования. Рассчитанные величины имеют достаточно хорошее совпадение.
Таким образом, российский программный комплекс "Гамма" отвечает всем современным стандартам в области электромагнитного моделирования высокочастотных задач, не уступая по функционалу и точности получаемых результатов лучшим мировым решениям. Это позволит радиоэлектронной промышленности нашей страны успешно развиваться в условиях западных санкций.