Port Floquet HFSS Ansoft Incidence Oblique

Simulation d’une cellule

déphaseuse

HFSS- PORT FLOQUET

Incidence Oblique

Par Lipuma Daniel le

28/10/2011

Simulation de une cellule déphaseuse - Port Floquet

2

1- Introduction .................................................................................................. 3

2- Présentation de la structure ......................................................................... 4

Dimensions ..................................................................................................... 4

Création de la structure dans HFSS................................................................ 5

Patch à fente ................................................................................................... 5

Substrat ........................................................................................................... 7

Boite d’air ........................................................................................................ 9

Plan de masse ................................................................................................ 9

3- Conditions périodiques ................................................................................ 9

Master/Slave ................................................................................................... 9

4- Port Floquet ............................................................................................... 14

5- Simulation dans HFSS ............................................................................... 16

Solution Setup ............................................................................................... 16

Optimetric ...................................................................................................... 17

Plot Solution Data ......................................................................................... 18

Corroboration ................................................................................................ 20

6- Références ................................................................................................ 21


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1- Introduction

Afin d'effectuer la simulation d'une cellule déphaseuse, en utilisant l'outil de

calcul HFSS, en tenant compte de l'angle d'incidence oblique.

Basé sur le travail, écrit par Loïc Marnat le 19/03/2008

« Simulation de une cellule déphaseuse au sein d´ un réseau infini

périodique Approche Floquet »

Nous allons faire une modification pour analyser le champ réfléchi sans utiliser

l’outil Field Calculator.


4

2- Présentation de la structure

Les graphiques suivants, illustrent la structure à analyser. Il s'agit ici d'une

cellule circulaire

Figure 2.1 Structure complète vue sous différents angles

Dimensions

Fréquence

Substrat


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Plan de masse

Antenne patch à fente de

dimensions

Volume de calcul (air)

Création de la structure dans HFSS

La structure est créée de façon à être symétrique par rapport aux deux axes X

et Y. Voici les étapes à suivre pour créer chaque élément de la structure :

Patch à fente

Figure 2.2- Définition d’un objet 2D

On crée un cercle dans le plan XY, de dimensions R1 et de position (x, y, z)=

(0, 0, 0)

Le cercle créé dans l’environnement HFSS est présenté en Figure 2.3.

Figure 2.3- Circulé créé dans l’environnement HFSS


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Après avoir créé ce cercle, il faut soustraire un autre cercle (celui de la fente).

On créé un autre cercle de la même façon, mais avec les dimensions R2. Ce

cercle est positionné en (x, y, z)= (0, 0, 0)

Après avoir créé le deuxième cercle, il faut le soustraire au premier. Pour ce

faire, on sélectionne les deux cercles et on clique sur le bouton « soustraction »

(Figure 2.4).

Figure 2.4- Soustraction de deux objets

Le design obtenu après la soustraction des deux cercles est présenté Figure

2.5.

Figure 2.5- Résultat de la soustraction des deux rectangles créés

Le patch étant créé, il est nécessaire de lui affecter ses propriétés métalliques.

On clique alors gauche sur le patch et on sélectionne le menu « Assign

Boundary » « PerfectE »


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Figure 2.6- Affectation d’une caractéristique électrique à un objet 2D

Substrat

Le substrat est une boîte contenant un matériau de permittivité relative

. Pour le créer, on clique sur le bouton « Draw Box » (Figure 2.7). On

définit ses dimensions avec les variables : , et

. Sa position est définie en ( ,

, ).

Figure 2.7- Création d’un objet 3D (parallélépipède)

Pour définir les propriétés de cette boîte, il faut lui assigner un matériau de

permittivité = . Pour ce faire, on clique sur le bouton « Assign Material »

(Figure 2.8) après avoir sélectionné la boîte en question.


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Figure 2.8- Affectation d’une caractéristique physique à un objet 3D

Une fenêtre s’ouvre listant tous les matériaux disponibles sous HFSS. On

choisit le matériel à utiliser, ou on peut créer un nouveau matériel.

Figure 2.9- Assignation du matériau dans HFSS

On sélectionne le matériel créé puis on clique sur « OK ». La boîte ainsi créée a

maintenant les caractéristiques électriques du matériau défini précédemment.

Le design du substrat surmonté du patch est présenté dans l’environnement

HFSS sur la Figure 2.10.

Figure 2.10- Association du substrat et du patch dans l’environnement HFSS


9

Boite d’air

De la même manière que pour le substrat, on crée une boîte d’air de

taille , et

(avec ) Le volume de calcul est positionné en

Pour que cette boîte ait les propriétés de l’air, il faut aller dans le menu

«Assign Material» et sélectionner le matériau « air » (préexistant dans HFSS).

Le design prenant en compte la boite d’air est présenté en Figure 2.11.

Figure 2.11- Cellule placée dans un volume d’air

Plan de masse

Pour définir le plan de masse, on affecte une condition de « Perfect E » sur la

face se situant sous le substrat

3- Conditions périodiques

Master/Slave

Les conditions périodiques utilisées sont notées « MASTER » et « SLAVE »

dans HFSS. Ces conditions doivent être affectées à l’ensemble des faces de la

structure.

Volume d´air


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La manière d’affecter ces conditions est présentée dans cette section pour deux

faces du volume de calcul. Il faut toujours commencer par affecter une condition

« MASTER » avant une condition « SLAVE ».

Pour affecter une de ces conditions, il faut sélectionner la face choisie, puis

cliquer droit pour aller dans le menu « Assign Boundary » « MASTER »

(Figure 3.1).

Figure 3.1- Lancement du menu pour définir une surface en tant que « MASTER »

Une fenêtre s’affiche, permettant de nommer cette surface et de définir un

vecteur pour l’orientation de la surface (Figure 3.3). En effet, par la définition de

ce vecteur une base est créée, comme pour les surfaces «SLAVE». Cette base

permet de définir l’orientation respective des deux surfaces (Figure 3.2).

Figure 3.2- Orientation des surfaces en fonction leur vecteurs « u, v » respectifs

Il est important de noter que, l’orientation des vecteurs de la surface

«MASTER» n’a pas de réelle importance. En revanche, l’orientation des

vecteurs de la surface «SLAVE» est importante. Elle doit tenir compte de

l’orientation de ceux de la surface «MASTER».


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Les surfaces MASTER et SLAVE doivent être de la même forme et taille. C’est

l’UV coordinate System que doit être définie pour identifier la correspondance

point à point des surfaces. Il faut verifier que l´ UV coordinate soit consistent

En cliquant sur «New Vector» (Figure 3.3), on revient à l’interface de dessin

d’HFSS. On peut alors définir le premier vecteur « U ».

Figure 3.3- Définition du nom et d’un vecteur U pour l’orientation de la surface

On clique sur un bord de la structure (le coin en bas à gauche par exemple),

puis sur un point de la structure placé horizontalement (le coin en bas à droite

par exemple).

L’option « Reverse Direction » permet d’inverser la direction du vecteur « v »

qui est automatiquement orienté par HFSS. Pour terminer l’opération, il suffit de

cliquer sur «OK».

Figure 3.4 Définition de condition Master


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Pour définir une surface «SLAVE», on sélectionne la surface qui se trouve en

vis-à-vis d’une surface «MASTER» précédemment définie. On va dans le menu

« Assign Boundary » «SLAVE » par un clic droit sur la surface choisie.

Une fenêtre apparaît (Figure 3.5), quasiment identique à celle de la définition

d’une surface « MASTER » (Figure 3.3). Seule une option a été ajoutée

permettant de définir la surface « MASTER » qui commandera la surface en

cours de définition. Dans notre cas la surface « Slavex » (en cours de définition)

est la surface en vis-à-vis de la de la surface « Masterx » (définie dans une

étape précédente).

Figure 3.5- Définition de la base pour l’orientation de la surface « SLAVE »

Une fois ces vecteurs définis, on passe à la fenêtre suivante. Elle permet de

définir la relation du champ entre les deux parois (« master » et « slave »).

Deux options sont disponibles : définir l’angle d’incidence de l’onde qui se

propage ou appliquer un délai entre les deux surfaces (0° si l’on

travaille en incidence normale). Comme le type de simulation présenté ici

permet de simuler une structure sous des incidences quelconques, nous

choisirons l’option « Use Scan Angles To Calculate Phase Delay », par souci de

simplicité d’utilisation.

Figure 3.6- Définition de la relation liant le champ sur la surface « SLAVE » à celui sur la surface « MASTER » correspondante


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Pour définir les angles « theta » et « phi » dans cette fenêtre, nous utilisons des

variables Theta_inc et Phi_inc. La Figure 3.7 montre le résultat obtenu après

avoir suivi les étapes précédentes pour des valeurs de « Theta_inc » et «

Phi_inc » a) et b) Comme on peut voir, la

base (U, V) définit où il y aura l´origine, la variation des angles d´incidence.

Figure 3.7- Définition complète d’un couple de parois a) 0° et 0°, b) 45° et 0°,

Il faut faire de même pour toutes les surfaces qui n’ont pas encore été définies,

en prenant soin de bien définir les surfaces « SLAVE » par rapport à leur

surface « MASTER » correspondante (surface en vis-à-vis) et de bien faire

coïncider les bases « u, v » des deux surfaces (vecteurs bleu « v » et rouge « u

» comme on peut voire en Figure 3.8

Figure 3.8- Définition complète d’un couple de parois « master-slave » axe Y

a) b)


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4- Port Floquet

Pour assigner un port, sélectionnant la surface supérieure de la boîte à air. On

clique « Assign Excitation » et puis « Port Floquet » Figure 4.1

Figure 4.1- Assignation de port Floquet

Puis, une fenêtre apparaît pour le « Lattice Coordinate System », On doit

assigner le vecteur A et B comme on peut voir ci-dessous en couleur rouge

dans la Figure 4.2

Figure 4.2- Assignation de vecteurs


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Cliquez sur « Next », et « Next » de nouveau à la page de configuration des

modes.

Figure 4.3 Configuration de modes

Par défaut HFSS spécifie une paire de modes de Floquet. Ces désignations

ressemblent la notation pour les modes de guide d'onde rectangulaire, comme

"TE10''

Une fenêtre Post Processing apparaît. On doit mettre la distance deembed

(Figure 4.4), qui est la distance de la cellule jusque la surface supérieure de la

boîte d’air. C’est une étape de post traitement quand la phase du paramètre S

des éléments est d'intérêt.

Figure 4.4 Distance deembed


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La définition complète du Port Floquet on peut voir en Figure 4.5 avec les

vecteurs A et B et la distance deembed en couleur bleu.

Figure 4.5 Définition complète de Port Floquet.

5- Simulation dans HFSS

Solution Setup

Dans HFSS, avant de simuler la structure, il faut créer une « Solution setup »

dans laquelle on définit la fréquence de simulation f0 (qui sert de fréquence de

base pour le maillage), le nombre maximum d’itérations (stoppe la simulation

même si la convergence n’est pas atteinte) et le pas maximale S entre deux

itérations. Pour ce faire, on fait clique droit sur le champ « Analysis » de la

fenêtre « Project » puis on va dans le menu


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Figure 5.1- Création d’une « solution setup »

Figure 5.2- Configuration d’une « solution setup »

Optimetric

Pour faire une variation de l’angle d’incidence qu’on a appelle Theta_inc.

Cliquez « Optimetrics » « Add » « Parametric »


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Figure 5.3 Assignation de un paramètre à varier

Cliquez « Add » pour choisir le paramètre dans la fenêtre Variable, et

choisissez Theta_inc, puis « Linear Step » et on prendre comme valeur Start -

50 degrés et comme valeur de Stop 50 degrés avec un pas de 5 degrés.

Figure 5.4 Ajouter un paramètre a varié

Une fois la « Solution Setup » créée et le « Optimetric » est configuré, il suffit de

cliquer sur le bouton « Analyse All » (Figure 5.5)

Figure 5.5- Lancement de la simulation

Plot Solution Data

On fois, la simulation est fini, cliquez en « Results » « Create a Modal Solution

Data Report » « Rectangular Plot » comme on peut voir en Figure 5.6.


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Figure 5.6 Création d'un graphique après la simulation

Pour voir la variation du paramètre S avec la variation de l’angle de incidence

Thêta, on choisit « Primary Sweep » Theta_inc (-50 degrés a 50 degrés)

comme axe X, et puis pour le axe Y, « S paramètre »

« S(FloquetPort1 :1,FloquetPort1 :1) » « can_deg »

Figure 5.7 Configuration des axes

Finalement on clique en « New Report » et on peut voir nos résultats en

Figure 5.8, pour une fréquence de 9Ghz.


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Figure 5.8 Graphique du paramètre S (phase) en fonction de l’angle de incidence

Corroboration

Tous les résultats ont été comparés avec les travaux faits par Marie Anne

Millon

(*1) « Modélisation de cellules déphaseuses environnées - Application à la

analyse de réseaux réflecteurs imprimés » 4 décembre 2007

On a simule les mêmes cellules étudiées, en trouvant les résultats en couleur

rouge. En comparaison a les résultats (couleur bleu) dans la Pag 124. Table 5.2

(*1) « Comparaison des phases ré-rayonnes (en degrés) par chaque cellule

sous une incidence de 20°. Dans la direction spéculaire a 12,1GHz ». (C1 a C9

sont cellules de différentes tailles)

Approche de

simulation

C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9

HFSS infinie

55,37 37,73 33,6 -18,5 119,5 204,2 215,1 117,8 116,2

HFSS Port Floquet

54,69 37,19 32,98 -17,06 121,72 204,46 215,61 116,04 110,5

Différence 0,68 0,54 0,62 1,44 2,22 0,26 0,51 1,76 5,7


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6- Références

1- « Modélisation de cellules déphaseuses environnées - Application à la

analyse de réseaux réflecteurs imprimés » 04/12/2007 - Marie Anne

Millon

2- « Simulation de une cellule déphaseuse au sein d´réseau infinit

périodique Approche Floquet » 19/03/2008 - Loïc Marnat

3- « Getting Started with HFSS: Floquet Ports » September 2009

http://www.eecis.udel.edu/~spencer/HFSSFloquet.pdf

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