Le logiciel de simulation HFSS .1 Présentation du logiciel

Le logiciel HFSS (High Frequency Structure Simulation) v13.0 d’Ansoft Corporation est un simulateur électromagnétique de haute performance pour les modèles en 3D. Il intègre des simulations, des visualisations et une interface pour résoudre rapidement et de façon efficace les problèmes électromagnétiques en 3D. Son code de calcul est basé sur la méthode des éléments finis.

Il permet d'obtenir des graphiques performants pour donner à l'utilisateur des résultats et une perspicacité aux problèmes électromagnétiques en 3D [56].

Le HFSS peut être utilisé pour calculer des paramètres tels que les paramètres S, les fréquences de résonance et les champs. C'est un outil permettant le calcul du comportement électromagnétique d'une structure. Le simulateur possède des outils de post traitement pour une analyse plus détaillée. Il permet le calcul des :

 quantités de base dans le champ proche et le champ lointain,

 impédances caractéristiques des ports et leurs constantes de propagation,

 les paramètres S normalisés par rapport à une impédance de port spécifique afin de générer une solution du champ électromagnétique. HFSS emploi la méthode des éléments finis. En général, cette méthode divise l'espace de résolution du problème en plusieurs milliers de régions plus petites et représente le champ dans chaque sous région (élément) avec une fonction locale.

IV.2.2 Méthode de calcul

Ce genre de simulation fait intervenir des équations aux dérivées partielles. Il existe trois méthodes principales comme vu dans le deuxième chapitre: la méthode des éléments finis, la méthode des différences finies et la méthode des moments. Le principe de ces méthodes est de discrétiser l’espace à l’aide d’un maillage propre à la méthode et de résoudre les équations localement. HFSS utilise la méthode des éléments finis afin de résoudre les équations de Maxwell.

IV.2.2.1 Méthode des éléments finis

La géométrie du modèle, étudié sous HFSS, est automatiquement divisée en un grand nombre de tétraèdres. La valeur d'un vecteur champ (E ou H) en un point à l'intérieur d'un tétraèdre est calculée par interpolation des valeurs des champs dans les sommets du tétraèdre. Ainsi, en

représentant les valeurs des champs de cette manière, HFSS calcule les champs séparément dans chaque élément en fixant des critères de convergence.

La méthode des éléments finis consiste à transformer les équations aux dérivées partielles sous forme intégrale, puis à découper l’espace en sous domaines (mailles) dans lesquelles sont placés les nœuds (l’ensemble maille + noeud formant les éléments) [56].

Pour déterminer une solution approchée du problème, il faut ensuite calculer les valeurs du problème aux nœuds des éléments en résolvant les équations locales sous forme intégrale. Plus les éléments sont petits, plus la solution est précise mais plus le temps de calcul est long.

IV.2.3 Technique de maillage

Par cette technique, les conducteurs sont maillés, divisés en éléments simples triangulaires ou rectangulaires. La taille des éléments simples n’est pas constante ce qui lui permet d’adapter les cellules à la géométrie de l’objet. Ainsi, en présence de discontinuités, les dimensions de la structure à étudier sont respectées. Les courants surfaciques induits sur le conducteur sont décomposés dans une base de fonction sur chacune des cellules élémentaires. Ces coefficients sont les inconnus du problème. Si le courant est fortement localisé, comme par exemple sur une ligne micro ruban où il se propage principalement sur les bords, un maillage plus fin et plus dense, pour représenter de façon plus précise, tout en minimisant le temps de calcul.

IV.2.4 Critère de convergence

Comme l’espace d’étude est discrétisé, il faut définir un critère de convergence qui correspond à l’incertitude maximale entre au moins deux itérations successives pour être validées comme représentatives de la réalité. Cette incertitude est calculée comme étant le pourcentage entre deux solutions successives. Si le rapport entre ces deux solutions est supérieur au critère de convergence, il faut continuer les itérations, sinon, la solution est dite stable et le calcul s’arrête.

IV.2.5 Le processus du logiciel HFSS

Le processus HFSS se déroule comme suit:

Conception

Type de solution

solution

Conditions aux limites

Excitation

Analyse

Importation Analyse et balayage

fréquentiel

Résultats Model paramétrique

et géométrique

Amélioration de maillage

Fin Résolution Operations de

maillage

Convergence ?

Oui Non

Figure IV.1 : Le Processus de HFSS [69].

Boucle de résoudre

IV.2.6 Création des projets par HFSS

Sur le menu File, on clique New. On spécifie le nom du projet quand on le sauve, on utilise le chemin : File>Save ou File>Save As. Pour un projet précédemment sauvé, on utilise la commande : File>Open.

Pour concevoir une structure sur HFSS, on suit ce procédé général. Il faut noter qu'après avoir inséré une conception, on n'a pas besoin d'exécuter les étapes séquentiellement, mais elles doivent être accomplies avant qu'une solution puisse être produite.

IV.2.6.1 Insertion d'une conception de HFSS dans un projet

 Sur le menu de projet, cliquer sur Insert HFSS Design.

 La nouvelle conception est énumérée dans l'arbre de projet. Elle est appelée HFSS Design par défaut, où est l'ordre dans lequel la conception a été ajoutée au projet.

 La fenêtre du modéliseur 3D apparaît à la droite de la fenêtre de gestion de projet. On peut maintenant créer modèle de la géométrie.

 On peut choisir le Rescale à la nouvelle option d'unités pour adapter les dimensions aux nouvelles unités.

 On dégage le Rescale à la nouvelle option d'unités (par défaut) pour convertir les dimensions en nouvelles unités sans changer la structure.

 On clique sur OK pour appliquer les nouvelles unités au modèle.

IV.2.6.2 Dessiner un modèle

Pour créer une structure en 3D il suffit de la dessiner avec les outils mis à disposition par le logiciel. Ici, nous ne décrivons que les parties les plus difficiles à mettre en œuvre.

On peut créer les objets 3D en employant les commandes de l'aspiration de HFSS (HFSS- Draw- commands). Des objets sont dessinés dans la fenêtre du modéliseur 3D (fig IV.2).

Figure IV.2 : Fenêtre de gestion des différentes modèles à dessiner sur HFSS [69].