1. Introdução
Uma das metodologias mais utilizadas para simular o comportamento de um dispositivo eletrônico, é o uso do Ansys HFSS em conjunto com o Ansys Circuit. O HFSS é responsável por calcular os parâmetros S da geometria no domínio da frequência. Por sua vez, o Circuit utiliza esses valores de parâmetros S para realizar uma análise transiente, levando em consideração os componentes ativos e passivos que compõem esse dispositivo.
Fig.1: Simulação de dispositivo eletrônico no Ansys HFSS.
Fig.2: Simulação no Ansys Circuit utilizando dados da simulação do HFSS.
Uma vez que essa metodologia utiliza dados no domínio da frequência (HFSS) em uma simulação no domínio do tempo (Circuit), é importante garantir que esses dados estejam apropriados. Dois grandes fatores que são importantes para uma simulação transiente bem sucedida é a passividade e a causalidade. Essas duas grandezas podem ser explicadas resumidamente da seguinte maneira:
Passividade: Dispositivos passivos podem apenas dissipar ou armazenar energia temporariamente, mas nunca gerá-la.
Causalidade: Causalidade significa que um sinal de saída não pode começar a mudar antes que o sinal de entrada mude. Em outras palavras, o modelo não pode "prever" os dados de saída. Uma condição necessária e suficiente para a causalidade é que as funções de transferência do domínio de frequência (parâmetros S) tenha que satisfazer as relações de Kramers - Kronig.
Caso o modelo possua problemas no que diz respeito essas duas grandezas, é possível receber as seguintes mensagens de erro ou aviso ao realizar uma simulação no Circuit:
[error] models:s_element(error): fieldsolver:1242.s - Final error: 1.2685; unable to achieve acceptable error.
[error] system_load_interface(error): device fieldsolver:1242.s (model nexxim_fs_cosim_0) rejected.
[error] (error): Error found during loading: analysis aborted for D:/Ehmke/Radiated_Emissions.aedtresults/Circuit2/temp/DV132_S129_V214.cir
[error] (error): Some or all simulation failed for D:/Ehmke/Radiated_Emissions.aedtresults/Circuit2/temp/DV132_S129_V214.cir. Total simulator time: 0:00:38
[warning] models:s_element(warning): fieldsolver:43.s - S-parameter data is not passive. Worst violation of 1.18134e-05 at 1 (Hz).
[warning] models:s_element(warning): fieldsolver:43.s - Fit is not passive (maximum passivity violation is 0.58889). Results can be unstable or inaccurate. If results seem suspect, repeat the simulation with passivity enforced.
Esse artigo tem como objetivo mostrar como realizar uma verificação do modelo calculado pelo HFSS e verificar se o mesmo está passivo e causal, além de apresentar possíveis soluções para corrigir esses problemas.
2. Procedimento de Verificação
Para realizar a verificação dos resultados e outras grandezas, pode-se utilizar o Network Data Explorer (NDE). Para acessá-lo, clica-se com o botão direito no Setup calculado e selecione a opção Network Data Explorer...
Fig.3: Localização do NDE.
É importante que a simulação tenha sido concluída para acessar a ferramenta. Uma vez com ela aberta, é possível verificar os parâmetros SYZ calculados pelo software. Além disso, é possível exportar esses resultados em um modelo Nexxim State Space, PSpice e outros na opção Broadband.
Fig.4: Opções adicionais no NDE.
Fig.5: Opções de exportação do NDE.
Para verificar a passividade, basta clicar em Show Statistics > Passivity. Se os resultados estiverem menores que 1, o modelo está passivo para toda a faixa de frequência calculada. Caso contrário, é possível que problemas de passividade impeçam o cálculo da simulação transiente.
Fig.6: Exemplo de resultados da verificação de passividade do modelo do HFSS.
Para verificar a causalidade, clica-se em Causality Report, selecione a tolerância para o método de verificação e clica-se em OK. Se os resultados da matriz de parâmetros estiverem todos em verde, o modelo está causal. Caso algum resultados apareçam em amarelo ou vermelho, o modelo apresenta problemas no que diz respeito à causalidade.
Fig.7: Exemplo de resultados da verificação de causalidade do modelo do HFSS.
3. Dicas para resolver problemas de passividade ou causalidade.
Caso as verificações do NDE apontem para algum problema de passividade ou causalidade, tente os seguintes métodos para solucionar o problema:
3.1. Aumentar o número de pontos no sweep de frequências.
Em alguns casos, problemas de passividade ou causalidade podem ser resolvidos aumentando a densidade de pontos no sweep de frequências. Não existe um número específico recomendado, porém aumentado a quantidade de pontos calculados pode-se impedir que esses problemas aconteçam.
Fig.8: Sweep de frequências com uma maior densidade de pontos.
3.2. Forçar passividade do modelo.
Depois de configurar a simulação transiente no Circuit, é possível alterar algumas opções do modelo HFSS importado. Uma delas é a opção de forçar a passividade do modelo. Para fazer isso, clica-se com o botão direito no modelo importado e selecione a opção Edit Link Definition.
Fig.9: Onde encontrar a opção Edit Link Definition no Ansys Circuit.
Ao realizar isso, uma nova janela será aberta. Nela, é possível ir em Nexxim Options e selecionar um algoritmo específico para forçar a passividade do modelo importado chamada de Nexxim Passivity Enforcement. Cada algoritmo possui sua particularidade e mais detalhes podem ser encontrados no Ansys Circuit Help.
Fig.10: Onde encontrar Nexxim Passivity Enforcement.
3.3. Forçar causalidade do modelo.
Outra opção válida é forçar a causalidade ainda na etapa de cálculo do HFSS. Para fazer isso, vá nas opções de Sweep de frequências e selecione a aba de Interpolation. Clicando em Advanced Options é possível encontrar a opção de forçar a causalidade do modelo chamada de Enforce Causality.. Uma limitação desse método é que ele requer que seja adicionado o ponto DC (0 Hz), o que é recomendado nos casos onde serão realizadas análises transientes.
Fig.11: Onde encontrar a opção Enforce Causality no Ansys HFSS.
4. Conclusão
Conforme foi mostrado, verificar a passividade e causalidade dos modelos é um procedimento rápido e prático. Essas duas grandezas são muito importantes para uma boa, precisa e estável simulação no domínio do tempo. Portanto, recomenda-se que essa verificação seja realizada antes de qualquer simulação transiente no Ansys Circuit.
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