Utilizando Smith Tool para criação de rede de adaptação de impedância

1. Introdução

A Ferramenta Smith da Ansys é uma ferramenta interativa de diagrama de Smith disponível no Ansys Circuit. Ela é usada para o design de amplificadores, osciladores e redes de adaptação de impedância, também conhecido como redes de casamento de impedância. Essa última é de suma importância para garantir que o sistema projetado opere na frequência desejada, sem ocorrer reflexões nos terminais de alimentação do mesmo.

Dessa forma, esse artigo tem como objetivo demonstrar como realizar uma co-simulaçao entre o Ansys HFSS e o Ansys Circuit, utilizando a ferramenta de Smith Tool para projetar redes de casamento de impedância.

2. Procedimento

Para ilustrar o procedimento, foi feita a simulação no HFSS de uma antena patch operando em 10 GHz. O dispositivo é mostrado na imagem abaixo:

Figura 1: Antena Patch inicialmente projetada no Ansys HFSS.

Como objetivo, será utilizado a ferramenta de Smith Tool para projetar uma rede da adaptação de impedância para casar a antena em 12 GHz. Para fazer isso, foi necessário realizar os seguintes passos:

• Após realizar a simulação, verificar os parâmetros S da antena para conferir se a mesma está operando na frequência inicialmente esperada;
  
  Figura 2: Resultados dos parâmetros S da Antena Patch.
  
  
• Após uma verificação inicial, crie um novo design do Ansys Circuit nas opções Desktop;
  
  
  Figura 3: Adicionar nova análise no Ansys Circuit.

• Para configurar a co-simulação, clique e arraste o design do HFSS para a interface do Circuit. Como alternativa, pode-se ir até a janela de Components > Model > HFSS e selecionar o modelo de HFSS: Template to import and create a new HFSS dynamic link da antena Patch projetada. Selecionar o sweep de frequências utilizado para extrair os parâmetros S;
  
  
  
  Figura 4: Clicar e arrastar a análise do HFSS para a interface do Circuit.
  
  
  Figura 5: Onde encontrar componentes para realizar a co-simulação com HFSS.
  
  
  Figura 6: Configuração do Sweep de frequências correto para realizar a co-simulação.
  
  
• Adicione uma excitação do tipo Port no design do Circuit e realize a conexão entre os componentes. É possível encontrar essa opção nas opções de Schematic;
  
  
  Figura 7: Adicionar excitação do tipo Port.
  
  
• Adicione duas análises Linear Network Analysis para simular o caso no domínio de frequência. Uma análise será configurada com um sweep de frequências para analisar o comportamento do sistema em uma banda específica (5 GHz até 15 GHz). E a outra será uma análise pontual na frequência em que deseja-se encontrar a rede de adaptação de impedância (12 GHz). As configurações usadas em cada uma das análises são mostradas nas imagens abaixo;
  
  Figura 8: Adicionar simulação do tipo Linear Network Analysis.
  
  
  Figura 9: Configurações da análise da banda de 5 GHz até 15 GHz.
  
  
  Figura 10: Configurações da análise pontual na frequência de interesse de 12 GHz.
  
  
  
  
• Depois dessas configurações, clique na opção de Analyze para que a simulação seja executada. Após o término das mesmas, verifique se os resultados de parâmetros S do sistema serão condizentes com os resultados iniciais do HFSS;
  
  
  Figura 11: Verificação dos resultados da co-simulação sem a rede de adaptação de impedância.
  
  
• Nas opções de Results, clique em Smith Tool para iniciar o processo de cálculo de rede de adaptação de impedância;
  
  
  Figura 12: Selecionar a função do Smith Tool.
  
  
• Primeiramente, selecione a solução que contém apenas o ponto de interesse (12 GHz). É possível realizar isso nas opções de Modify Report. Depois de selecionar a solução correta, perceba que a carta de Smith apresenta apenas um ponto. Por fim, clique em Matching;
  
  
  
  Figura 13: Selecionar solução com o ponto de frequência de interesse.
  
  
  
• Clique em New Match e selecione o ponto apresentado na carta de Smith. Depois de fazer isso, o software permitirá que seja selecionado componentes passivos para introduzir no sistema. Após selecionar um dos tipos de componentes é possível usar os cursores na carta de Smith para arrastar o ponto de um lugar a outro. Alternativamente, é possível digitar os valores nominais do componente. O objetivo dessa manobra é que o ponto chegue no valor 1 apresentado pela carta;
  
  
  Figura 14: Janela de projeto da rede de adaptação de impedância.
  
• Ao final desse processo, foram escolhidos dois indutores, um em série e outro em paralelo com valores de 1,46 nH e 2,04 nH respectivamente. Depois disso, clique no botão Export  para que o circuito seja exportado para o ambiente do Circuit;
  
  
  Figura 15: Adicionando os componentes que compõem a rede de adaptação de impedância.
  
  
  
  Figura 16: Rede de adaptação de impedância projetada e exportada para o Circuit.
  
  
• Após a exportação, realize a conexão entre a excitação Port e o modelo da antena. Cuidado com a posição dos terminais do circuito exportado;
  
  
  
  Figura 17: Conexão da rede de adaptação de impedância e o restante do sistema.
  
  
• Ao final, é possível simular novamente as análises do Ansys Circuit e assim verificar que os resultados apresentam um casamento de impedância em 12 GHz, como era esperado;
  
  
  Figura 18: Resultados finais de parâmetro S com a rede de adaptação de impedância. Observa-se uma ressonância em 12 GHz, como era esperado.

3. Conclusões

Com a ferramenta Smith Tool da Ansys, é possível encontrar os valores dos componentes que compõem a rede de adaptação de impedância, permitindo projetos de antenas com o correto casamento de impedância. Em anexo é possível encontrar o modelo de simulação do exemplo apresentado.