Optimisation de la conception d'antennes par simulation avec CST Studio Suite et Tosca

Lors de la conception de composants et de systèmes électromagnétiques, les ingénieurs sont souvent confrontés aux limites de la définition CAO paramétrique. Bien qu'ils puissent analyser presque n'importe quelle conception par simulation électromagnétique haute fréquence, ils ne peuvent l'améliorer qu'en manipulant ses paramètres CAO. Pour dépasser ces limites, il est possible d'adopter un flux de travail d'optimisation de conception non paramétrique à l'aide d'un ensemble d'outils comme… Suite CST Studio + Suite d'optimisation Tosca. Dans cet article, nous détaillerons ce flux de travail et concevrons facilement une antenne performante, industrialisable et bien au-delà des possibilités offertes par l'approche paramétrique.

Qu'est-ce que l'optimisation de la conception non paramétrique ?

L'optimisation non paramétrique permet aux ingénieurs d'exploiter tout le potentiel de l'espace de conception, et non plus seulement les paramètres CAO prédéfinis, pour résoudre les problèmes d'ingénierie. Ils n'ont plus besoin de définir des centaines de variables individuelles ; ils définissent plutôt un espace de conception et des objectifs de performance, puis mettent en place une boucle de simulation et de modélisation. Un logiciel de simulation analyse l'espace de conception, évalue les résultats par rapport aux objectifs de performance et effectue des ajustements géométriques. Il répète cette boucle jusqu'à ce qu'il atteigne le mieux l'objectif et génère une conception finale. L'ingénieur peut ainsi découvrir automatiquement des formes organiques et performantes, souvent impossibles à concevoir manuellement, parfaitement adaptées à la fabrication additive moderne et aux systèmes électromagnétiques avancés.

Ce processus nécessite généralement l'intégration de deux logiciels : un optimiseur (dans ce cas, Tosca Optimization Suite) et un solveur physique (dans ce cas, CST Studio Suite).

Deux algorithmes sont utilisés par l'optimisation non paramétrique avec Tosca :

1. Optimisation topologique : Cette méthode de conception détermine la répartition optimale des matériaux dans un espace de conception donné, en fonction des charges, des conditions aux limites et des objectifs de performance. Au lieu d'ajuster des paramètres prédéfinis, elle modifie la répartition des matériaux afin d'obtenir les meilleurs résultats structurels (par exemple, minimiser le poids ou maximiser la rigidité) et d'améliorer les performances électromagnétiques.
   
   
2. Optimisation de la forme : Ce procédé améliore les performances d'une structure ou d'un composant en modifiant doucement ses surfaces existantes sans altérer sa topologie ni sa connectivité globales. Contrairement à l'optimisation topologique, qui peut créer des trous ou supprimer entièrement de la matière, l'optimisation de la forme vise à affiner la géométrie pour une meilleure efficacité tout en préservant la structure de base.

Tous les solveurs de CST Studio Suite ne sont pas compatibles avec l'optimisation non paramétrique Tosca. Les solveurs compatibles sont les suivants :

• Solveur de domaine fréquentiel (ROM rapide)
• Solveur de modes propres (avec pertes)
• Solveur MQS-TD (2D)

Les types de matériaux pris en charge sont Normal (diélectrique) et Ohmic Sheet (avec une résistance de feuille inférieure à 1,15e-4).

Optimisation topologique d'une antenne à l'aide de CST Studio Suite

Pour accéder à l'optimisation non paramétrique dans CST Studio Suite, la première étape consiste à définir un espace de conception, accessible via l'arborescence de navigation. Cet espace est une liste de volumes ou de surfaces, respectivement pour l'optimisation topologique ou de forme. Dans le cas de l'optimisation topologique, chaque tétraèdre du maillage d'éléments finis de l'espace de conception correspond à une variable de conception. Cette variable permet d'interpoler le matériau d'origine et le matériau de remplissage.

Après avoir défini l'espace de conception, on peut configurer plusieurs contraintes de mouvement, comme la symétrie et la forme. Une contrainte de mouvement est une limite qui restreint l'amplitude et la manière dont une variable de conception ou une entité peut changer ou « se déplacer » au cours d'une étape d'optimisation. Dans ce cas précis, on définit une contrainte de symétrie miroir.

L'étape suivante consiste à définir les objectifs de l'optimiseur. Ces derniers sont accessibles via la fonction Optimiseur non paramétrique de l'onglet Accueil de CST Studio Suite. Dans cet exemple, la plage de fréquences est de 2,3 à 2,8 GHz, avec une amplitude de perte de retour (S1,1) limitée à moins de -15 dB et une puissance rayonnée maximale de 0,5 W.

Les réponses de conception de la puissance rayonnée et des paramètres S sont définies comme indiqué ci-dessous.

Résultats du suivi

Une fois l'optimiseur lancé, toutes les étapes et tous les cycles de conception seront visibles dans la fenêtre de messages CST. Pendant l'exécution de la simulation, vous pouvez suivre la progression et obtenir les résultats via l'interface graphique de Tosca.

• Diagramme de convergence : Permet de vérifier les résultats durant le processus d'optimisation.
  
  
  
  
• Rapport sur la structure de Tosca : C'est dans ce module qu'on va voir les résultats finaux.
  
  
  
  
• Animation : Animez le processus d'optimisation topologique à l'aide de Tosca pour visualiser la redistribution des matériaux au fil des itérations.
  
  

De retour dans la fenêtre CST, les résultats d'optimisation du projet en cours nous permettront de vérifier la puissance rayonnée et les valeurs des paramètres S pour chaque cycle de conception.

Puissance rayonnée :

Paramètre S :

Pendant l'exécution de l'optimisation non paramétrique, CST crée un dossier distinct contenant les fichiers CST pour chaque itération. En ouvrant un fichier CST d'une itération, vous pouvez visualiser la distribution des matériaux (c'est-à-dire la conception partiellement optimisée) en accédant aux paramètres de l'optimiseur non paramétrique pour sélectionner une valeur pour le seuil de coupure isométrique. Appliquez ensuite les modifications et cliquez sur le bouton « Vérifier ».

La distribution des matériaux est représentée sur une échelle de 0 à 1, comme indiqué ci-dessous. 1 (rouge) correspond à la conductivité du matériau d'origine (feuille ohmique), et 0 (bleu) à la conductivité du matériau de remplissage (vide).

Différentes coupes isométriques engendreront des réponses différentes, dues simplement à la différence de topologies. Si la topologie présente des bords dans les pistes métalliques, sa conductivité sera faible, ce qui entraînera une dissipation et chargera également les modes de résonance. Lors d'une coupe isométrique, le contour de la topologie nécessite un lissage des nœuds du maillage. Cette procédure diffère entre CST et Tosca, et des différences sont donc à prévoir dans les résultats électromagnétiques. Après avoir vérifié les résultats CST, il est possible d'exporter la conception optimisée sous forme de fichier CAO via Tosca.

Conclusion

L'optimisation non paramétrique est particulièrement efficace pour la conception d'antennes, de filtres, de guides d'ondes et d'autres composants électromagnétiques. En exploitant un espace de conception totalement vierge, exempt des préjugés et des hypothèses inhérents à la paramétrisation géométrique, cette technique d'analyse permet de trouver la meilleure solution parmi une infinité de possibilités.

Pour y parvenir, il faut des outils comme CST Studio Suite et Tosca Optimization Suite. Le processus est simple, mais très puissant. Utilisés à bon escient par un ingénieur créatif et attentif, ils permettent d'explorer des géométries novatrices, de tirer parti des techniques de fabrication modernes et d'obtenir des performances supérieures aux approches paramétriques traditionnelles.

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