Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

Компьютерное моделирование электромагнитных полей

Подписаться Бесплатная «Серебряная» новостная рассылка . Подписчиков 165 RSS
←   Март 2005   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://sites.google.com/site/komputernoemodelirovanie/
Открыта: 12-01-2005

Автор
Александр Бровко

Статистика

165 подписчиков
0 за неделю
←   Все выпуски   →

Компьютерное моделирование электромагнитных полей


Информационный Канал Subscribe.Ru

Здравствуйте, уважаемые подписчики!

 

С вами ведущий рассылки Александр Бровко.

Сегодня мы рассмотрим особенности применения программы QuickWave-3D для открытых задач, в которых электромагнитное поле не ограничено замкнутым объемом, а выходит за пределы рассматриваемой системы. Характерным примером такого рода задач является расчет СВЧ антенн. Антенна по самому своему назначению должна излучать электромагнитную энергию в окружающее пространство, то есть получается, что при расчете надо учитывать поведение поля на бесконечности. Однако FDTD метод, на котором построена программа QuickWave-3D, по своей природе приспособлен для анализа полей в конечном объеме пространства, на границах которого задаются некие граничные условия. Компромисс между этими двумя противоречивыми условиями достигается путем введения особого рода неотражающих граничных условий, моделирующих прохождение волны за пределы расчетной области без отражения на ее границах. В настоящее время существует два подхода к заданию таких условий.

Первый подход – это задание поглощающих граничных условий (Absorbing Boundary Conditions – ABC). По своей сути это импедансные граничные условия. Поверхность, на которой заданы такие условия, поглощает падающую на них волну при условии, что импеданс поверхности согласован с импедансом примыкающей к ней области пространства. У этого подхода есть одна особенность – электромагнитная волна не отражается от поверхности только в том случае, если волна падает перпендикулярно к поверхности. Если же волна падает под углом (особенно при скользящем падении волны), некоторая часть энергии волны все-таки отражается обратно в расчетную область. Еще одна особенность заключается в том, что идеальное согласование достигается только для одного фиксированного значения частоты. Если же в системе распространяется широкополосный волновой пакет, то на боковых частотах согласование уже не идеальное, и энергия опять таки отражается от поверхности с такими граничными условиями.

Второй подход – это введение на границе расчетной области анизотропного искусственного слоя, который получил название абсолютно согласованного слоя (Perfectly Matched Layer – PML). Параметры слоя подбираются так, что волна входит в слой без отражения, и полностью в нем затухает, не возвращаясь в расчетную область. При этом компоненты полей в слое расщепляются еще на две подкомпоненты каждая, и для описания их поведения используются уже не уравнения Максвелла, а некие модифицированные уравнения. Теоретически при таком подходе можно получить идеальное согласование для любых углов падения волны для всех частот. Однако на практике не все так просто. Дело в том, что для методов с дискретными сетками, к которым относится и FDTD метод, из-за погрешностей дискретизации небольшая часть энергии все-таки отражается от PML, если не предпринимать особых предосторожностей. Этот вопрос интенсивно исследовался в последние несколько лет, и к настоящему моменту предложен ряд рекомендаций, позволяющих избежать (или существенно уменьшить) отражения волны от PML. Эти рекомендации включают в себя подбор числа ячеек на толщину слоя PML, задание профиля изменения параметров слоя при удалении от границы расчетной области вглубь PML и т.д. В целом можно сказать, что подход с использованием PML, по-видимому, может обеспечить меньшее отражение волны и в более широких диапазонах по частоте и по углу падения, чем подход с использованием ABC. Но с другой стороны, подход с ABC в ряде случаев гораздо легче реализовать в программном продукте, ориентированном на конечных пользователей, мало знакомых с тонкостями применения этих методов.

 

В программе QuickWave-3D реализованы оба подхода - и ABC и PML. По умолчанию при расчетах открытых задач используется подход ABC. Для его использования достаточно при задании расчетной области в редакторе QW-Editor установить среду по умолчанию – воздух (Air) в диалоговом окне Parameters - Circuit Type. В этом случае на границах расчетной области автоматически задаются поглощающие граничные условия, согласованные с воздухом. К сожалению, в программе не поддерживаются другие среды по умолчанию, например, какой либо диэлектрик с показателем преломления, отличающимся от единицы. Техника ABC используется в программе не только на границах расчетной области для открытых задач, но и при задании портов в волноводах, через которые электромагнитная волна запускается в рассматриваемую систему (часть энергии может отразиться обратно в волновод, и для ее поглощения используются поверхности с ABC). Возможность задания PML была введена в программу QuickWave-3D начиная с версии 2.2 от 2003 года. В библиотеках программы присутствует специальный UDO объект, содержащий ящик в виде параллелепипеда со стенками из PML. При его использовании пользователь имеет возможность задать параметры (толщину и профиль - либо параболический, либо экспоненциальный) слоев PML.

 

При решении открытых задач, и в частности, при расчете антенн, обычно требуется посчитать диаграмму направленности излучения. Для ее расчета в программе QuickWave-3D используется специальный объект NTF-box, который необходимо ввести в расчетную область так, чтобы он заключал в себе излучающую структуру. NTF расшифровывается как Near-To-Far. Читателям, знакомым с электродинамикой СВЧ, известны такие понятия, как ближняя и дальняя зоны неоднородности. Для остальных читателей я поясню, что когда говорят о диаграмме направленности излучения, имеют в виду распределение интенсивности излучения на расстояниях от излучающей системы, во много сотен раз превышающих длину волны (или, как говорят, излучение в дальней зоне). Если же рассмотреть электромагнитное поле вблизи излучающей системы (ближняя зона), то оно будет содержать не только электромагнитную волну, излучаемую в окружающее пространство, но и колеблющуюся энергию, которая никуда не излучается. Вследствие этого распределение интенсивности поля в ближней зоне существенно отличается от распределения в дальней зоне. Так вот, преобразование Near-To-Far как раз предназначено для того, чтобы по результатам наблюдения (вычисления) полей в ближней зоне рассчитать распределение интенсивности поля по углу направленности в дальней зоне. При практических расчетах в систему вводится объект NTF-box, окружающий со всех сторон излучающую систему. В процессе FDTD моделирования собирается информация о поведении полей во времени на стенках NTF-box. Затем по команде пользователя производится расчет диаграммы направленности на заданных дискретных частотах. При этом зависимости полей на стенках NTF-box от времени подвергаются Фурье-преобразованию, и затем над полученными монохроматическими полями выполняется интегральное NTF преобразование, дающее диаграмму направленности в дальней зоне.

 

 

С уважением,

Ведущий рассылки Александр Бровко

mailto: brovkoav@gmail.com

http://www.intercom.ru/quickwave3d

 

 

http://subscribe.ru/
http://subscribe.ru/feedback/		 Подписан адрес:
Код этой рассылки: industry.soft.quickwave3d		 Отписаться
В избранное