Оптимизация антенн в Simcenter FEKO и Simcenter HEEDS

Ускорение процесса оптимизации антенн в Simcenter FEKO и Simcenter HEEDS

Проектирование высокоэффективных антенн требует не только точного прогнозирования электромагнитных эффектов. Инженерам также необходимо детально исследовать различные варианты конструкции и учитывать компромиссы между различными целевыми показателями устройства. Объединение возможностей электромагнитного моделирования Simcenter FEKO с функциями автоматизированного исследования и оптимизации конструкции Simcenter HEEDS позволяет инженерам эффективно переходить от моделирования к оптимизации и структурному синтезу антенны.

От моделирования антенны к ее оптимизации

Характеристики антенн зависят от множества взаимосвязанных параметров, таких как геометрические размеры, свойства подложки, положение точки питания, металлизация, заземление, экранирование. Simcenter FEKO позволяет инженерам анализировать влияние этих параметров и оценивать характеристики антенн для различных вариантов их конструкции с использованием численного электромагнитного моделирования.

Однако по мере увеличения числа переменных конструкции и целевых показателей производительности ручное исследование становится всё более сложной задачей. Интеграция Simcenter FEKO с Simcenter HEEDS обеспечивает возможности автоматизированной оптимизации, включая многокритериальную оптимизацию, анализ робастности и оптимизацию надёжности, построение суррогатных моделей, а также автоматизацию других рабочих процессов.

В данном материале рассмотрена способы эффективной оптимизации на примере рупорной линзовой антенны. Для моделирования на частоте 3.05 ГГц используется гибридный решатель Simcenter FEKO, объединяющий метод моментов и метод конечных элементов. Областью конечных элментов является волновод, включающий в себя анизотропный циркулятор. Метод моментов используется для моделирования металлического рупора. Диэлектрическая линза рассчитывается с использованием принципа поверхностной эквивалентности. Целью оптимизации является изменение формы линзы для максимизации коэффициента усиления антенны при одновременном обеспечении максимально возможной осевой симметрии диаграммы направленности.

Параметризация модели для ее оптимизации

Для эффективного исследования различных вариантов конструкции, геометрия линзы параметризуется с использованием инструмента NURBS в модуле CADFEKO САПР Simcenter FEKO. Один октант линзы представляется рациональной биквадратичной поверхностью Безье, заданной девятью управляющими точками и девятью весами. Затем полная геометрия линзы формируется путём отсечения поверхности плоскостью z = 0 и её зеркального отражения относительно плоскостей симметрии x = 0, y = 0 и z = 0.

Управляющие точки поверхностей Безье имеют определённый геометрический смысл, что позволяет достаточно просто обеспечивать G0- и G1- непрерывности в местах сопряжения поверхности. В результате определения линзы формирует 11-мерное пространство параметров.

Видео 1 – параметризация диэлектрической линзы в Simcenter Feko.

Для оценки характеристик антенны в процессе оптимизации определяются четыре целевые функции. Целевая функция 1 соответствует коэффициенту усиления антенны в направлении главного лепестка, тогда как целевые функции 2 и 3 характеризуют уровни боковых лепестков в E- и H-плоскостях соответственно. Целевая функция 4 представляет собой минимальный коэффициент усиления вдоль изолинии θ = 15°. Максимизация этой функции позволяет получить диаграмму направленности с практически осевой симметрией.

После параметризации модели и определения целевых функций электромагнитное моделирование выполняется в Simcenter FEKO для расчёта требуемых характеристик антенны и построения соответствующих графиков в модуле POSTFEKO.

Комбинирование Simcenter FEKO и Simcenter HEEDS

После создания и параметризации модели в FEKO,следующим шагом является подключение к рабочему процессу Simcenter HEEDS. Передача данных из FEKO в HEEDS настраивается путём указания директорий установки САПР. Укажем, что далее процесс электромагнитного моделирования можно разложить на три основных этапа: открытие модели в CADFEKO, запуск решателя FEKO для расчёта характеристик и визуализация результатов в POSTFEKO. Полученные данные автоматически передаются в Simcenter HEEDS, далее определяется следующий набор переменных в соответствии с выбранным методом поиска. Расчет автоматически повторяется для новых значений параметров модели. В HEEDS также доступны трёхмерная и двумерная визуализации из POSTFEKO, что позволяет инженерам отслеживать изменение конструкции и соответствующих характеристик на протяжении всего процесса оптимизации.

Видео 2 – совместная работа в Simcenter Feko и Simcenter HEEDS

Исследование и оптимизация антенн в SHERPA

После подключения модели Simcenter FEKO к Simcenter HEEDS становится возможным систематическое исследование и параметрическая оптимизация. Simcenter HEEDS предлагает несколько подходов к исследованию и оптимизации конструкции, при этом основной стратегией является SHERPA. SHERPA расшифровывается как Simultaneous Hybrid Exploration that is Robust, Progressive, and Adaptive — «одновременное гибридное исследование, обеспечивающее робастность, последовательность и адаптивность».

Вместо использования одного метода оптимизации SHERPA одновременно применяет несколько стратегий поиска и адаптивно перераспределяет вычислительные ресурсы в пользу методов, которые показывают наилучшие результаты. В данном подходе нет необходимости заранее выбирать конкретный алгоритм оптимизации, что делает SHERPA особенно подходящим для высокоточного моделирования и параметрической итеративной оптимизации, где на каждом шаге производятся сложные вычисления.

В этом примере в Simcenter HEEDS выполняется многокритериальная оптимизация при исследовании более 150 вариантов конструкции антенны. Вместо получения единственной оптимальной модели исследование позволяет определить множество Парето-оптимальных решений, каждое из которых представляет собой характерный компромисс между определёнными параметрами.

Видео 3 – исследование конструкций антенн спомощью SHERPA

Оценка Парето-оптимальных конструкций антенн

После завершения оптимизации SHERPA Парето-оптимальные решения можно проанализировать с помощью средств постобработки в Simcenter HEEDS. Инструмент Trade-offs на вкладке Discover обеспечивает наглядное представление полученных решений, помогая инженерам сравнивать модели по требуемым показателями и выбирать наиболее подходящую конструкцию антенны. В данном примере конструкция под номером 148 обеспечивает хороший баланс между целевыми показателями оптимизации, повышая коэффициент усиления антенны на 22%, с увеличением эффективности на 59%.

Видео 4 – исследование на Парето-оптимальностьв Simcenter HEEDS

Заключение

Комбинирование Simcenter FEKO и Simcenter HEEDS позволяет инженерам исследовать широкое пространство вариантов топологий антенны, сохраняя при этом точность полноволнового электромагнитного моделирования. Автоматизация итеративного решения при оценке различных вариантов конструкции помогает сократить общее время разработки, выявлять перспективные решения, и в конце концов, принимать обоснованные решения в рамках Парето-оптимальных моделей.

Хотя в данном примере рассматривается проектирование антенны, тот же подход может применяться и к другим задачам электромагнитного моделирования, включая оптимизацию характеристик ЭМС и эффективной площади рассеяния.