Файл: Учебнометодическое пособие по практическим, лабораторным и самостоятельным занятиям для магистрантов направлений 11. 04. 01 Радиотехника и11. 04. 02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи.pdf

33
Рисунок 1.26 – Окно калькулятора
1.10 Двухпроводная линия передачи
Цель работы – рассчитать электростатическое поле, определить собственную и взаимную емкость проводников.
Расчеты выполнить в системах Elcut и TALGAT. Структура линии приведена на рис. 1.27.
Для моделирования в Elcut. Область задачи ограничена Землей снизу и бесконечна в трех других направлениях. Тип задачи: Задача электростатики.
Класс задачи: Плоско-параллельная. Исходные данные: Размер проводника:
10х30 мм. Расстояние между проводниками: 20 мм. Толщина диэлектрика:
10 мм. Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха ε0=1.
Относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика ε=2.
Рисунок 1.27 – Двухпроводная линия передачи
Для решения теоретически бесконечной задачи удобно определить область расчета как прямоугольник, достаточно большой (например,
24×40 мм), для того чтобы исключить влияние краевых эффектов. Для

34
вычисления матрицы емкостей необходимо установить потенциалы U=1 В у одного проводника и U=0 В у другого, тогда выражения для емкостей примут вид: собственная емкость C
11
=C
22
=Q
1
/U
1
, взаимная емкость C
12
=C
21
=Q
2
/U
2
, где заряды проводников Q
1
и Q
2
вычисляются как интегралы вдоль прямоугольных контуров, проведенных вокруг проводников 1 и 2 с отступом от их границ.
Сначала нужно запустить Elcut и создать новый проект. В окне свойств задачи задать: Тип задачи - Электростатическое поле, Класс модели –
Плоская, Расчет – Обычный, Координаты – Декартовы, Единицы длины –
Миллиметры. После задания всех свойств нажать кнопку Готово.
Для создания геометрической модели необходимо дважды кликнуть по разделу Геометрия в дереве задачи. Кликнув правой кнопкой мыши по координатной сетке выбрать пункт Сетка привязки, установить шаги равными 5 мм. Пользуясь кнопкой и ориентируясь по координатам выводимым в левом нижнем углу главного окна, изобразить расчетную модель заданных размеров. Ограничение размеров расчетной области при этом от -160 мм до 160 мм по горизонтальной оси, от 0 мм до 160 мм по вертикальной оси.
Далее необходимо присвоить метки блокам Воздух и Диэлектрик. А также ребрам: Земля, Проводник 1, Проводник 2. Для этого необходимо кликнув левой кнопки мыши по объекту выделить его, затем в контекстном меню выбрать пункт Свойства. В открывшемся окне необходимо ввести название метки.
Шаг дискретизации для всех меток оставить автоматическим.
Для задания физических свойств среды необходимо щелкнуть правой кнопкой мыши по метке Воздух в дереве задачи. В контекстном меню выбрать пункт
Свойства.
В появившемся окне следует ввести диэлектрическую проницаемость воздуха
(
= 1) и плотность электрического заряда в воздухе
= 0. Аналогичным образом задать значение диэлектрической проницаемости для метки Диэлектрик, для данной задачи это значение будет равно 2.
Для задания граничных условий необходимо щелкнуть правой кнопкой мыши по метке Земля в дереве задачи. В контекстном меню выбрать пункт
Свойства. В появившемся окне следует включить флажок Потенциал
=
, оставить значения по умолчанию. Аналогичным образом открыть окно свойств первого проводника и задать значение
= 1 В. Для второго проводника значение
= 0 В.
Создать сетку конечных элементов нажав кнопку Построение сетки на панели инструментов (Ошибка! Источник ссылки не найден.). Для решения задачи необходимо нажать кнопку Решить
, расположенную на панели инструментов. После решения откроется окно Результат расчета, в котором будет изображена картина поля.
Собственную емкость можно вычислить по формуле:

35
=
=
Взаимная емкость вычисляется по формуле:
=
=
/
Здесь и заряды, которые вычисляются как интегралы вдоль прямоугольных контуров, построенных вокруг проводников с отступом от их границ. В качестве контуров для расчета зарядов и следует построить прямоугольники с координатами от -60 мм до 0 мм по горизонтальной оси, от
0 мм до 40 мм по вертикальной оси и от 0 мм до 60 мм по горизонтальной оси, от 0 мм до 40 мм по вертикальной оси соответственно.
После получения значений в Elcut, выполнить аналогичные вычисления в TALGAT и сравнить полученные значения, после чего сделать выводы по работе.
1.11 Электродинамическое моделирования в системе Concept-II
Программный продукт CONCEPT-II был разработан в Гамбургском институте электромагнитной теории. Этот программный пакет предназначен для численного решения задач электромагнитного излучения и рассеивания в частотной области. Ядро вычислений основано на методе моментов и интегральных уравнениях для электрических (EFIE) и магнитных полей
(MFIE). CONCEPT-II может использоваться для вычисления токов, напряжений и полей, которые являются результатом какого-либо возбуждения металлических структур или диэлектрических тел.
Электромагнитные поля могут быть вычислены как в ближней, так и в дальней зоне.
Программа CONCEPT-II позволяет моделировать задачи, включающие в себя кабельные структуры, произвольные нагрузки или источники возбуждения, а также структуры с произвольной металлической поверхностью, которые могут содержать апертуры, щели и стыки; диэлектрические тела с потерями произвольной формы; тела, покрытые тонкими слоями материала с конечной проводимостью (для анализа задач экранирования); произвольные гальванические связи проводов и металлических поверхностей; структуры, как в свободном пространстве, так и над идеально проводящей плоскостью. В системе реализовано сочетание метода моментов и метода физической оптики.
В последнее время разработчики представили новую, улучшенную версию программы Concept-II, с более удобным и понятным графическим интерфейсом. Для образовательных целей разработчики предлагают демонстрационную версию системы, которая и используется в данном пособии.
Далее кратко рассмотрен процесс установки CONCEPT-II. Для установки программы CONCEPT-II необходим файл с именем «concept-II-

36 12.0-p23-64bit-demo-setup.exe», который можно скачать с официального сайта разработчиков программы. [Ошибка! Закладка не определена.] Запустить файл установки и следовать указаниям установщика не меняя параметров
(рис. 1.28).
Рисунок 1.28 – Окно установки программы
Следующим этапом является расширение пути, для этого необходимо открыть папку «Мой компьютер», правой кнопкой мыши открыть свойства.
Открываем вкладку «Дополнительные параметры системы» → «Переменные среды». Далее выбрать пункт “Path” в системных переменных и нажать
«Изменить». Путь необходимо продлить символом «;» и прописать путь нахождения программы CONCEPT-II «C:\Program Files (x86)\gnuplot\bin»
(рис. 1.29). Нажать ОК.
Рисунок 1.29 – Расширение пути
Для графического представления кривых потребуется расширение
«Gnuplot». Для установки необходимо скачать файл «gnuplot.exe» с официального сайта разработчиков программы. Запустить установку и после завершения расширить путь в соответствии с пунктом 0 (рис. 1.30).

37
Рисунок 1.30 – Расширение пути для программы «Gnuplot»
Графический интерфейс программы CONCEPT-II включает в себя следующие элементы: панель меню, панель инструментов, рабочая область, окно для вывода системных сообщений, панель основных этапов моделирования (рис. 1.31).
Рисунок 1.31 – Графический интерфейс программы CONCEPT-II
Моделирование в CONCEPT-II состоит из следующих этапов: препроцессинг; ввод входных данных; проверка входной геометрии; вычисление; визуализация результатов. Далее рассмотрим их подробнее.
На этапе препроцессинга и дискретизации поверхностей осуществляется создание структуры. Для моделирования сложных структур, CONCEPT-II содержит собственные инструменты дискретизации. Эти инструменты обеспечивают треугольные или смешенные сетки, состоящие из треугольников и четырехугольников. Также доступны 3D средства просмотра. Возможно локальное усовершенствование поверхности сетки.
Все необходимые инструменты содержаться во вкладке Cad tools, которая включает в себя две дополнительные вкладки Cad tools 1 (рис. 1.32 а) и Cad
tools 2 (рис. 1.32 б).

38
а б
Рисунок 1.32 – Вкладки Cad tools 1 (а) и Cad tools 2 (б)
На этапе ввода данных формируется главный файл, который содержит информацию о входных данных (кабели, источники возбуждения, нагрузки и др.). В системе предусмотрены следующие источники возбуждения: генератор напряжения; подводимая мощность; источник поверхностных токов; плоская волна; вибратор Герца и др. Входные данные формируются во вкладке Simulation и хранятся в дереве проекта (рис. 1.33).
Дерево проекта включает в себя 4 основных раздела:
6 Setup of the structure (настройка структуры: геометрия, симметрия, виды проводов и т.д.).
7 Setup monitoring (настройка полей тока, напряжения, распределение тока).
8 Setup printing (настройка печати, используются значения по умолчанию).
9 Setup simulation (настройка моделирования: частоты дискретизации, тип возбуждения и выбор используемой структуры).
В разделе Setup simulation возможен выбор вычислительного режима из двух представленных. Одинарный режим вычисления Single precision дает верный результат для структур хорошо согласованных с источником возбуждения. Для вычислений более сложных структур содержащих отверстия наиболее точный результат можно получить в режиме
Galerkin matching. Недостатком такого режима является то, что для вычисления требуются матрицы больших размеров и, следовательно,

39
затрачивается больше времени. Так же режим Galerkin matching может использоваться для строго треугольной сетки.
Рисунок 1.33 – Дерево проекта
На этапе проверки входной геометрии производится проверка заданной геометрии и правильности входных данных. Осуществляется проверка после построения структуры и установки всех параметров. Во вкладке Simulation
(панель меню) располагается кнопка Run simulation front-end (рисунок 1.34), после нажатия которой запускается проверка геометрии. После успешного окончания проверки во вкладке Post processing активируется кнопка Show
complete structure (рис. 1.34), которая позволяет достроить структуру на основании заданной симметрии.

40
Рисунок 1.34 – Проверка заданной геометрии и правильности входных данных
На этапе вычислений производится запуск процесса вычисления. В окне для вывода системных сообщений (рис. 1.35) отображается процесс расчета, время вычисления, анализируемая частотная точка и др.
Рисунок 1.35 – Окно для вывода системных сообщений
После окончания вычислений доступна вкладка Post processing, в которой находятся инструменты для графического отображения полученных результатов (рис. 1.36). Доступны аппроксимация распределение токов и другие характеристики, такие как графическое представление распределения токов на поверхностях, наведенное напряжение или токи, как функции частоты. Трехмерные представления электромагнитных полей позволяют идентифицировать полное электромагнитное поведение структуры. Весьма полезными, для практических исследований, являются анимации токов и распределения поля, которые могут быстро быть сгенерированы.
Результаты решения представляются в CONCEPT-II различными способами: 3D и 2D диаграммы направленности; распределения токов на поверхностях и проводах; (I, U, E, H) как функция частоты и времени; 2D и
1D распределения поля; электромагнитные поля в произвольных точках (как поток энергии, вектор Поинтинга); коэффициент удельного поглощения.
Вкладка Log data отвечает за просмотр полученных результатов для каждой графической формы представления вычислений.

41
Рисунок 1.36 – Постобработка вычислений

42 2 Лабораторные занятия
2.1 Линии передачи
Цель работы – оценка перекрестных наводок в линиях передачи на примере печатной платы.
2.1.1 Порядок выполнения работы
Для выполнения оценки помех в линиях передачи на основной сигнал нужно выполнить следующие этапы:
1 Построить геометрические модели поперечных сечений заданных отрезков линий передач.
2 Вычислить матрицы погонных коэффициентов электростатической С и электродинамической L индукций.
3 Составить схему для моделирования.
4 Задать нагрузки и воздействие.
5 Вычислить временной отклик на импульсное воздействие
Указанные этапы целесообразно выполнить для многопроводной линии передачи (МПЛ), имеющей 2, 3, 4, 5 проводников. Все пункты выполняются в системе TALGAT.
Для корректного выполнения вышепоставленных задач необходимо в
ПО TALGAT подключить следующие програмные модули:
MOM2D – модуль двухмерного электростатического анализа.
UTIL – модуль для использования команд общего назначения (PLUS,
DIV, MINUS, MUL и т.д.).
MATRIX – модуль матричных операций.
На рис. 2.1 представлены типовые слои и параметры исследуемой печатной платы.
Рисунок 2.1 – Типовые слои и параметры исследуемой печатной платы

43
Пример поперечного сечения линии передачи приведен на рис. 2.2.
Рисунок 2.2 – Поперечное сечение линии передачи
Значения параметров исследуемых структур для построения поперечного сечения исследуемых линий следующие: ширина проводника
w = 500 мкм, расстояние между проводниками
s = 300 мкм, высота проводников на слое TOP и BOTTOM t = 50 мкм, высота проводников на слое GND t = 35 мкм, расстояние от края структуры до проводника d = 3×w, толщина слоев TOP, BOTTOM, GND и +3V hT = 510 мкм, толщина покрывающего диэлектрического слоя GND