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

54 8.1 Левой кнопкой мыши выделить объект – ребро или узел (ребро
a
1
a при изучении влияния смещения жилы, узел a (a
1
) при изменении радиуса жилы, узел b (b
1
) при изменении радиуса обмотки).
8.2
«Правка»–«Передвинуть выделенное».
В появившемся диалоговом окне указать координаты вектора переноса (смещение производится только по оси Ох!).
8.3 При изменении радиуса жилы или оболочки п.8.2 повторяется дважды (для каждого из узлов), при этом вектора переноса антисимметричны, например (2, 0) и (2, 0).
13 Построить сетку (при этом не надо менять шаг дискретизации, а просто воспользоваться файловым меню – см.п.5), решить задачу и выполнить пункт 7.2.
14 Пункты 8 и 9 повторить необходимое число раз. Для найденного окончательного варианта построить зависимость напряженности поля вдоль контура ab в соответствии с п.7.1 и распечатать картину эквипотенциальных линий.
2.2.2 Задание для самостоятельного выполнения
Задача №1. Определить, на какую величину может быть допущено смещение оси жилы кабеля по отношению к оси оболочки, чтобы максимальная напряженность поля в диэлектрике не превысила двойной по сравнению с максимальной напряженностью при совпадении осей. Изоляцию кабеля считать однородной.
Построить зависимость Emax(d) (результаты расчета Emax для различных d должны быть занесены в таблицу). Для построения использовать не менее 8-10 точек. Привести зависимости напряженности поля вдоль контура ab для исходной и конечной конфигурации. Привести картину эквипотенциальных линий для конечной модели.
№
, кВ
, мм
, мм
1 3
2 5
20 2
3 2.2 6
22 3
6 2.2 7
25 4
6 2.4 8
25 5
10 2.4 9
30 6
10 3
10 30
Задача №2. При заданном размере оболочки кабеля, рассчитанного на
U0=3 кВ, определить оптимальный радиус жилы
(соответствует минимальному значению максимальной напряженности поля в конструкции).
Результирующее значение найти с точностью до десятых долей миллиметра.
Исходное значение радиуса жилы приведено в таблице. Построить зависимость Emax(r1) (результаты расчета Emax для различных r1 должны быть занесены в таблицу). Для построения использовать не менее 8-10 точек.
Привести зависимости напряженности поля вдоль контура ab для исходной и

55
оптимальной конструкции и картину эквипотенциальных линий для оптимальной модели.
№
, мм
, мм
1 2
10 15 2
2 11 17 3 2.2 12 20 4 2.2 13 22 5 2.4 14 23 6 2.4 15 25
Задача №3. Исследовать, как изменится радиус оболочки кабеля при использовании двухслойного диэлектрика. Вначале по формуле (1) рассчитать радиус внутреннего слоя изоляции (r3), а потом изменять радиус оболочки так, чтобы напряженность не превысила Emax0 = 2.5
⋅106 В/м.
Базовый вариант – кабель с однородной изоляцией εr2. Построить зависимость Emax(r2) (результаты расчета Emax для различных r2 должны быть занесены в таблицу). Для построения использовать не менее 6-8 точек.
Привести зависимости напряженности поля вдоль контура ab для базового и оптимального варианта и картину эквипотенциальных линий для оптимальной модели.
№ e r1er2
, мм
, мм
1 3.4 2
2 14 2 4.2 2
2.5 12.5 3 3.6 2
3 11.5 4 4.1 2
3.5 11.5 5 3.2 2
4 11.5 6 4.2 2
2.7 12.5
В этой задаче при прорисовке геометрии модели вводятся три полуокружности радиусами r1 , r2 и r3 (r3 находят по формуле (1)). В результате получают 2 замкнутые области (между r1 и r3, и между r3 и r2), они обе должны быть проименованы. В предварительном расчете их свойства одинаковы и определены εr2. В дальнейших расчетах свойства ближайшего к жиле блока изменяют на εr1.
2.3 Контурная антенна
Цель работы: получение навыков электродинамического моделирования методом моментов на примере моделирования контурной антенны в системе
Concept-II.
Контурная антенна является широко используемым источником магнитного поля в ближней зоне. Её часто используют при проведении испытания на ЭМС. При этом её конструкция является достаточно примитивной. Поэтому данная антенна является хорошим примером для получения навыком электродинамического моделирования.

56 2.3.1 Порядок выполнения работы
Исследуемой структурой является квадратная контурная антенна со следующими параметрами (рисунок 2.14): длина стороны а = 0,1 м, радиус провода r = 1 мм, частота сигнала

f = 1 МГц, напряжение генератора U = 1В.
Рисунок 2.14 – Параметры контурной антенны
Для начала работы необходимо запустить CONCEPT-II и создать новый проект, для этого правой кнопкой мыши навести на панель меню File → New
Simulation, ввести название проекта и нажать ОК.
На дереве проекта находится вкладка Wires, необходимо нажать правой кнопкой мыши и в всплывающем меню выбрать Edit a new wire file, откроется диалоговое окно (рисунок 2.15), в котором необходимо ввести параметры провода, а именно: координаты начала и конца провода, радиус провода и др. Название файла должны иметь имя следующих типов: xxx.wire или wire.xxx.
Рисунок 2.15 – Диалоговое окно для создания проводов
Изначально имеется строчка для создания одного провода, необходимо добавить еще три, для этого в нижней части окна в графе Total wires необходимо выбрать 3 (добавить три провода) и нажать Do. В итоге

57
появляется возможность создать четыре провода одновременно. Далее необходимо ввести координаты как показано на рисунке 2.16.
Рисунок 2.16 – Координаты и параметры необходимые для создания контурной антенны
Для того чтобы установить необходимую частоту генератора контурной антенны необходимо выполнить следующие действия:
1 В дереве проекта находится вкладка Setup simulation, щелкнуть правой кнопкой мыши на строчку Frequencies (частоты) → Single Fre.
15 Откроется диалоговое окно, в котором вводится необходимая частота
1 МГц (2.17), затем нажать ОК.
Рисунок 2.17 – Установка частоты генератора контурной антенны
Для того чтобы установить необходимое напряжение генератора в дереве проекта, в разделе Setup simulation нужно щелкнуть правой кнопкой мыши на строчку Excitation →Voltage generator(s), далее выбрать

58
необходимый проводник и ввести амплитуду и фазу как показано на рисунке
2.18, далее нажать Apply → OK.
Рисунок 2.18 – Размещение генератора напряжения на проводе
После того, как была создана заданная структура и установлены все параметры, необходимо запустить процесс моделирования нажав на кнопку
. В процессе вычислений устанавливается система уравнений, интегральное уравнение электрического поля переходит в линейную систему уравнений, которая затем решается при помощи
LU-разложения
(разновидность метода Гаусса). Если активировать вкладку Log data, которая находится на левой панели вкладок графического интерфейса CONCEPT-II и нажать на Concept-II-simulation на дисплее можно увидеть содержимое файла журнала concept.out.
Вычисляется распределение тока автоматически и записывается на жесткий диск, данные при этом доступны для вычисления электромагнитных полей. Мы хотим, вычислить поле H вдоль пространственной траектории, проходящей через центр петли. Для этого необходимо открыть вкладку Post
processing и нажать на кнопку
. Открывается вспомогательное окно, как показано на рисунке 2.19. Первая строчка содержит координаты начала и конца имеющегося провода и количество сегментов на которые разбивается проводник.
Если выбрать Field probes (вторая строчка в ниспадающем меню), появляется возможность самостоятельно выбрать необходимый провод и ввести его координаты. После нажатия кнопки ОК начинается вычисление поля.

59
Рисунок 2.19 – Установка пространственного пути для вычисления электромагнитных полей
После окончания процесса вычисления открывается дополнительное диалоговое окно (рисунок 2.20), в котором можно выбрать необходимую компоненту поля, выводимую графически, которая будет отображаться в зависимости от местоположения. Так как изначально имеются данные для поля H по умолчанию имя файла «H-path1.asc» (рисунок 2.20). Необходимо поставить галочку на «Max. magn.» и нажать ОК.
Рисунок 2.20 – Выбор компоненты поля
После вычислений на экране отображается график зависимости поля H от относительной длины линии (рисунок 2.21).

60
Рисунок 2.21 – График зависимости поля H от относительной длины линии
После получения результата вычисления представление кривой можно изменить двумя способами, нажав правой кнопкой мыши в вкладке Post
processing в окне просмотр результатов (дерево пост-обработки) на строчку
1D EM field (line) со значком
(рисунок 2.22).
Так называемое дерево пост-обработки дает возможность обеспечить быструю перезагрузку уже вычисленных результатов следующими способами:
 Curve selection – выбор дополнительных компонент поля;
 Show result – возможность сравнение сохраненных результатов вычисления. Выходные форматы являются SVG, PNG и PostScript.
Рисунок 2.22 – Дерево пост-обработки
Для того чтобы перейти в формат представления 2D необходимо выполнить предварительные преобразование, а именно, изменение частоты с
1 МГц на 1000МГц. Для этого во вкладке Simulation в дереве проекта необходимо правой кнопкой мыши нажать на строчку Single frequency → Set frequency и изменить значение частоты в открывшемся окне (рисунок 2.23).

61
Рисунок 2.23 – Изменение частоты
После внесения изменений необходимо запустить процесс моделирования повторно, нажав на кнопку
. После того как появляется сообщение об окончание вычислений в нижнем окне графического интерфейса программы появляется возможность продолжить повторную обработку результатов вычисления.
Для того чтобы вычислить двумерное распределение электромагнитного поля необходимо открыть вкладку Post processing и нажать на кнопку после чего откроется диалоговое окно (рисунок 2.24) в котором необходимо использовать значения по умолчанию, но нужно проследить за тем чтобы координаты z для трех точек (P1, P2, P3), описывающих область 2D поле были равны нулю.
После нажатия кнопки ОК начнется процесс вычисления, по окончании которого открывается дополнительное диалоговое окно. В нем выбирается
Field(s) at phases и рекомендуется установить шестнадцать фазовых интервалов (рисунок 2.25).
Нажав на кнопку ОК на экране графического интерфейса программы отобразиться распределение поля Н в двумерном пространстве для значения фаза равной 0°. Просмотр распределения поля при различных значениях фазы можно осуществлять пошагово или в виде анимации, для этого в левом нижнем углу во вкладке Post processing предусмотрены специальные кнопки
(рисунок 2.26). Поле Delay отвечает за скорость просмотра анимации.

62
Рисунок 2.24 – Определение описываемой области
Рисунок 2.25 – Выбор фазовых интервалов
Рисунок 2.26 – Кнопки для переключения фазы

63
Для хорошего представления поля необходимо выполнить масштабирование, для этого на панели меню открыть вкладку Post options →
Arrows circles, после чего открывается диалоговое окно, в котором нужно указать параметры в соответствии с рисунком 2.27. Далее необходимо активировать строчку «circles». После нажатия кнопки ОК, на экране появляется представление поля Н, как показано на рисунке 2.28. Цвета представляют величину векторов поля.
Рисунок 2.27 – Параметры для масштабирования
Рисунок 2.28 – Распределение поля H на частоте 1ГГц

64
Необходимо активировать вкладку Post processing и нажать на кнопку
, после чего откроется диалоговое окно, в котором необходимо сохранить значения по умолчанию и нажать кнопку ОК (рисунок 2.29).
Рисунок 2.29 – Вспомогательное окно для создания графического представления распределения тока
Для лучшего представления распределения тока необходимо увеличить толщину проводников, для этого на понели меню открыть вкладку Options →
Setting for wires in the line mode... и установить желаемую ширину проводников (ширина равна 10). Также удобно вывести нумерацию проводов во вкладке Post processing, в дереве пост-обработке правой кнопкой мыши нажать на строчку wire.0 → Show labels, в открывшемся окне отметить строку Show element numbers и нажать OK. В итоге на экране появится графическое представление распределения тока на частоте 1ГГц, как показано на рисунке 2.30.

65
Рисунок 2.30 – Распределение тока на частоте 1ГГц
Каждый провод должен быть загружен в центре резистором в 50 Ом.
Для этого необходимо открыть вкладку Simulation, в дереве проекта в разделе
Wires правой кнопкой мыши нажать на строчку loop.wire и выбрать Set loads, после чего откроется вспомогательное окно как показано на рисунке 2.31.
Рисунок 2.31 – Вспомогательное окно для нагрузки проводов
Для того чтобы создать нагрузку, необходимо правой кнопкой мыши нажать на провод на структуре контурной антенны, после чего в диалоговом окне появится строчка создания нагрузке, а на проводе графическое обозначение нагрузки в виде зеленого цилиндра, как показано на рисунке 2.32.

66
Рисунок 2.32 – Размещение сосредоточенных нагрузок на проводе
Нагрузку можно расположить не только в середине провода, но и в начале и в конце, для этого необходимо правой кнопкой мыши в окне создания нагрузок нажать на ячейку в столбце Position и выбрать необходимое положение, после нажать Apply.
Устанавливать общее значение нагрузок можно нажав правой кнопкой мыши на столбец R in Ohm → Set global, и в открывшемся диалоговом окне ввести необходимое значение. Так же можно установить различные значения для каждой нагрузки, с помощью ввода в соответствующие строки.
2.3.2 Задание для самостоятельного выполнения
1 Построить отдельные графики, на которых будут изображены реальная и мнимая часть для каждой координаты поля.
16 Зафиксировать максимальные значения поля Н для следующих значений частоты: 1МГц, 10 МГц, 50 МГц, 100 МГц, 200 МГц, 500
МГц, 600 МГц. Результаты занести в табл. 2.5 и построить график зависимости максимального значения поля Н от частоты генератора.
Таблица 2.5 – Зависимость максимального значения поля Н от частоты генератора
f, МГц
1 10 50 100 200 500 600
Max. magn.
17 Установив напряжение генератора 10 В, частоту генератора 1 ГГц, в формате 2D визуально определить значение фазы, при котором распространение поля вдоль поводов максимально.
18 Не изменяя значение напряжения генератора на частоте 1 МГц, установить нагрузку на каждый провод номиналом в 100Ом. Изменяя положения нагрузки вдоль провода установить, определить при каком положении будет максимальным распространение поля Н.
19 В результате проделанной работы сделать выводы по каждому разделу и оформить отчет.