Компьютерное моделирование электромагнитных полей

Здравствуйте, уважаемые подписчики!

С вами ведущий рассылки Александр Бровко.

Сегодня в выпуске: новые возможности новой версии программы QuickWave-3D.

Компания QWED на прошедшей неделе объявила о выпуске новой версии 5.0 своего программного продукта – пакета полного электромагнитного моделирования QuickWave-3D. На официальном сайте компании QWED (http://qwed.com.pl/) приведено краткое описание новых функций программы на английском языке. Ниже я привожу мой перевод этой аннотации на русский язык. Изложение ведется от первого лица, то есть от лица компании QWED.

Новые свойства версии 5.0 программы QuickWave-3D.

Компания QWED только что выпустила новую версию 5.0 программ QuickWave-3D и QuickWave-V2D. Новая версия пришла на смену версии 3.0, выпущенной в прошлом году.

Перед тем, как рассказать о новых свойствах версии 5.0, мы хотим сказать несколько слов об общей стратегии QWED в отношении разработки программных продуктов. Некоторые из пользователей, возможно, помнят о том, что несколько лет назад QWED начала сотрудничать с компанией Vector Fields Ltd (VF). В результате VF начала распространять версию QuickWave-3D, включающую все дополнительные модули, под именем VF CONCERTO. В прошлом году сотрудничество между QWED и VF вышло на новую стадию. Прежде всего, VF выпустила новый CONCERTO Modeller – специальный модуль для ввода трехмерных геометрических объектов, основанный на графическом модуле ACIS™, совместимом со многими CAD программами, популярными среди инженеров в областях механики и электротехники. Принимая во внимание превосходные качества Моделлера, и его быстрый успех среди пользователей программного обеспечения VF, компании VF и QWED решили объединить свои усилия по адаптации Моделлера для специфических запросов пользователей QW-3D и при подготовке версии интегрированного программного обеспечения. Это многообещающее начинание было реализовано и сейчас мы имеем две линии наших программных продуктов:

пакеты QW-3D/QW-V2D, распространяемые QWED. Эти пакеты содержат в себе QW-Editor, QW-Simulator и дополнительные модули. Теперь к ранее доступным дополнительным модулям QW-Optimiser, QW-MultiSim, QProny и QW-BHM добавлен Моделлер, который тоже доступен в качестве дополнительной опции.

Пакет CONCERTO Suite, распространяемый VF. Он содержит улучшенную версию Моделлера, непосредственно вызывающую QW-Simulator. Модуль QW-Editor тоже участвует в работе, хотя он является в данном случае невидимым для пользователя и работает в особом скрытом режиме, интегрированном с функциями Моделлера и выполняет в основном автоматическую генерацию конформной конечноразностной сетки. Дополнительные модули, как и раньше, включены в основной пакет.

Интегрированный пакет CONCERTO Suite был представлен на нескольких выставках и семинарах и встречен с большим интересом. Это подтверждает, что стратегия, выбранная компаниями QWED и VF, соответствует ожиданиям многих пользователей, как существующих, так и будущих. Таким образом, QWED в настоящее время планирует сконцентрироваться на разработке программного обеспечения со стороны электромагнитного моделирования, а также на расширении его возможностей и адекватности для новых возникающих приложений. Мы приветствуем любые предложения на эту тему, и в частности, от пользователей, заинтересованных в нестандартных высокочастотных задачах. Мы также готовы предоставить версии программы, настроенные в соответствии со специфическими требованиями пользователя, или консультации относительно использования нашего программного обеспечения.

С другой стороны, VF сфокусируется на продажах полного пакета CONCERTO Suite в его стандартной версии. Этот пакет совместим с другими программными продуктами VF, такими как низкочастотные конечноэлементные программы из серии OPERA и основанный  на методе моментов пакет CLASP, вызываемые из той же самой графической среды Моделлера. VF также продолжит улучшать функции и диалоги Моделлера, поддерживая их в соответствии с современными стандартами пользовательского интерфейса.

Стоит отметить, что в соответствии с разделением задач между VF и QWED, некоторые концепции пользовательского интерфейса, разработанные ранее компанией QWED и упомянутые на нашем веб-сайте, впервые были реализованы в интегрированном пакете CONCERTO Suite. Наиболее важные из них – это элементы системы AMIGO (Опция интеллектуального генерирования улучшенной сетки). Для того, чтобы попасть в график запуска интегрированного пакета CONCERTO Suite, QWED была вынуждена задержать выпуск новой отдельной версии 5.1 модуля QW-Editor, в котором система AMIGO также будет доступна. Эта версия подготавливается в Qt мультиплатформенной C++ оболочке, и в дальнейшем будет включать в себя расширенные возможности трехмерной графики, основанные на графической библиотеке Open GL™, подобно версии 5.0 модуля QW-Simulator. Выпуск версии 5.1 нового модуля QW-Editor планируется на июнь 2005 года.

Ниже мы обозначим основные изменения, введенные в версию 5.0. Описание будет кратким, поскольку в большинстве случаев мы будем просто ссылаться на соответствующие разделы расширенного руководства пользователя.

1. Векторные изображения распределений полей.

В предыдущих версиях программы мы имели два основных режима наблюдения распределения полей: температурный и поверхностный (известный также как вершины холмов). Оба режима могли использоваться только для изображения распределения полей в плоскости, перпендикулярной одной из главных координатных осей. Сейчас мы добавили  третий – векторный – режим. В этом режиме поля изображаются в виде стрелок или конусов. Направление стрелки (или конуса) показывает направление поля, а амплитуда изображается размером и цветом элемента. Можно наблюдать полное поле E или H, или сразу оба в том же самом окне. Изображение может представлять собой как трехмерное распределение, так и двумерное распределение в плоскостях, перпендикулярных главным осям. Более детально этот вопрос рассматривается в разделе 2.4 описания модуля QW-Simulator (QW-Simulator Reference Guide), а также несколько примеров рассмотрено в разделе 2.6.3 руководства пользователя.

2. Распределение поля по форме структуры в пакетах QW-3D и QW-V2D.

Начиная с версии 5.0 распределение поля показывается в следующих режимах: векторное изображение и изображение в виде поверхностей и линий, которые представляются по трехмерной форме рассматриваемой структуры. В пакете QW-V2D, работающем с длинными секциями осесимметричных структур, трехмерное изображение получается вращением длинной секции в заданном диапазоне углов. Диапазон может быть задан с использованием команды Setup-Type-Surface- Structure Switch- V2D Structure 3D View или с помощью горячей клавиши Ctrl-G. Мы полагаем, что изображение полей по настоящей форме устройства значительно облегчает их интерпретацию во время моделирования как трехмерных, так и двумерных случаев. Отметим, что QW-Simulator получает информацию о форме структуры после чтения файла *.pro, служащего для сохранения проекта, подготовленного в модуле QW-Editor. Поэтому для получения корректного изображения формы структуры в модуле QW-Simulator, необходимо сохранить текущую версию проекта перед запуском моделирования.

3. Размеры области в окне просмотра полей View Fields.

Иногда пользователи хотят ограничить размер изображения распределения поля подходящей частью структуры. В версии 5.0 это делается с помощью нового диалогового окна Box Limit, описанного в разделе 2.4 описания симулятора (QW-Simulator Reference Guide).

4. Режим тестирования поля возбуждения.

В большинстве приложений используется автоматический режим генерации поля возбуждения. Если параметры возбуждения установлены корректно, этот режим дает быстрый и точный результат. Однако существует определенный риск ошибки. Неправильно установленные параметры возбуждения могут привести к генерации неправильного поля возбуждения, что может привести к некорректному возбуждению устройства и странным результатам при расчете S-параметров. По этой причине, начиная с версии 5.0, мы ввели специальный режим работы программы, включающийся в модуле QW-Simulator командой Test-Template или соответствующей кнопкой. Когда этот режим включен, QW-Simulator автоматически открывает окно распределения поля во время синусоидальной фазы генерации поля возбуждения. По умолчанию, поля при этом изображаются с помощью поверхностей и линий. Более детально эти вопросы рассматриваются в разделе 2.2.6 руководства пользователя.

5. Анализ намагниченных ферритов.

В версию 5.0 программы QW-3D введена возможность анализа намагниченных ферритов. Прикладная модель феррита была представлена в статье Гварека и Морица (Gwarek

and Moryc), опубликованной в июне 2004 года в журнале IEEE Microwave and Wireless Components Letters. Модель принимает во внимание анизотропию и дисперсию феррита. В программе QW-3D подразумевается, что постоянное магнитное поле направлено вдоль оси z. Феррит характеризуется следующими параметрами: диэлектрическая и магнитная проницаемости, магнитное затухание, величина внешнего магнитного поля, электропроводность и коэффициент магнитной проводимости.

В одном и том же проекте может быть много ферритовых материалов с различными параметрами. В версии 5.0 ферритовый материал может быть введен в проект только с помощью специального UDO скрипта, который присутствует в дистрибутиве программы под именем newferrite.udo в библиотеке actions. Этот же самый UDO может быть использован для модификации параметров уже существующих в проекте ферритов. Параметры отображаются также в диалоговом окне Parameters-Media, но там их изменять нельзя.

6. Интегрирование полей E и H по контуру.

В предыдущей версии мы ввели возможность вычисления интеграла поля Е по определенному пользователем пути интегрирования (контур Е). Результат интегрирования подвергался Фурье-преобразованию и мог быть представлен как функция частоты. В версии 5.0 мы расширили эту возможность. Теперь пользователь может также определить контур Н для того, чтобы получить интегральную характеристику магнитного поля по заданному пути. Более того, теперь можно вычислять и отображать отношение результатов интегрирования вдоль контура Е (комплексное напряжение) и другого контура  Н (комплексный ток в случае замкнутого контура). Эта новая функция может быть использована, например, для исследования неточностей в определении напряжения, тока и импеданса для квази-ТЕМ линий передачи, как показано в примерах раздела 2.13.2 руководства пользователя.

7. Преобразование ближнего поля в дальнее (Near-to-Far) для среды, отличающейся от воздуха.

Преобразование ближнего поля в дальнее обычно применяется для объектов, находящихся в воздухе. Чаще всего это относится к антеннам. Однако иногда встречаются случаи, когда представляет интерес преобразование ближнего поля в дальнее для однородной среды, отличающейся от воздуха. Это могут быть биомедицинские приложения или другие случаи распространения волн СВЧ диапазона в больших телах. Поэтому в версии 5.0 мы ввели возможность NTF преобразования в пространстве, заполненном диэлектриком с показателем преломления, отличающимся от единицы. Использование этой новой функции продемонстрировано в разделе 2.3.6 руководства пользователя.

8. Источники на проволочных элементах.

При анализе проволочных антенн часто бывает необходимо поместить сосредоточенный источник в конкретную точку провода. Физически это означает, что мы должны сделать разрыв провода в этом месте и поместить источник в образовавшуюся щель. В предыдущих версиях программы в этом случае следовало явным образом задавать разрыв провода размером в одну ячейку и помещать сосредоточенный элемент точно в этот разрыв. Однако такой путь создавал довольно значительные неудобства для пользователей, в частности, это вызывало сложности при изменении конечноразностной сетки. Поэтому начиная с версии 5.0 пользователь может рисовать сосредоточенный источник непосредственно на проводе. Программа при этом автоматически делает разрыв провода размером в одну ячейку. Источник при этом будет работать как идеальный источник напряжения, но его сопротивление, заданное пользователем, будет использовано при расчете  S-параметров. Эта новая функция обсуждается в разделе 2.3.4 руководства пользователя.

9. Автоматический расчет эффективной диэлектрической проницаемости.

В предыдущих версиях в диалоге Parameters-I/O Ports мы должны были задавать эффективную диэлектрическую проницаемость для распространения волны в порту линии передачи. На самом деле, эта величина нужна для двух различных целей. Для не ТЕМ линий было необходимо выбирать подходящее поле возбуждения (в общем случае – многомодовый режим, как в примере, приведенном в разделе 2.2.5 руководства). Кроме того, эта величина использовалась в качестве параметра при задании поглощающих граничных условий Мюра на выходе ТЕМ и не ТЕМ портов. Эта двусмысленность в интерпретации эффективной диэлектрической проницаемости часто смущала пользователей. Поэтому начиная с версии 5.0 мы разместили эффективную диэлектрическую проницаемость для генерации поля возбуждения в нижней части окна Advanced parameters (эта часть открывается только для не ТЕМ мод). В верхней части окна  мы имеем эффективную диэлектрическую проницаемость для поглощающей границы Мюра. По умолчанию здесь установлен автоматический расчет, что означает, что для поглощения волны программа сама автоматически предложит корректное значение скорости волны с учетом данных сгенерированного поля возбуждения (для ТЕМ или не ТЕМ волны).

10. Неограниченное количество портов.

В предыдущих версиях количество портов, которые могли быть введены в проект в модуле QW-Editor, было ограниченным. Первоначально это количество было установлено равным 10. Затем оно было увеличено до 999. Но даже это, на первый взгляд очень большое число, как оказалось, слишком мало для некоторых пользователей с особыми специфическими задачами. Поэтому начиная с версии 5.0 мы ввели динамическое выделение памяти, требующейся для портов, что позволяет отказаться от формального ограничения числа портов.

11. Улучшения в управлении памятью в модуле QW-Editor.

Для того, чтобы пользователь мог получить представление о том, не является ли данный проект слишком большим для данного конкретного компьютера, QW-Editor производит оценку требуемой памяти для работы модуля QW-Simulator. Обычно QW-Editor требует меньше памяти, чем QW-Simulator, так что эта оценка действительна для всей программы в целом. Однако в некоторых задачах, включающих большое количество так называемых проволочек (не физических проволочек, а сегментов линий, используемых при задании геометрии в модуле QW-Editor), ситуация может стать обратной. Фактически, проблема здесь более сложная: часто вопрос заключается не в общем количестве памяти, необходимой модулю QW-Editor, а в недостаточно хорошем управлении оперативной памятью в данной операционной системе на данном компьютере. QW-Editor сначала пытается выделить некоторое разумное количество оперативной памяти и затем динамически запрашивает дополнительную память, если выделенной оказывается недостаточно. Теоретически, это должно выполняться в компьютерной системе. На практике, при перераспределении оперативной памяти в ней могут оставаться незанятые участки, которые не удается использовать повторно, так как каждый из таких участков по размеру меньше, чем необходимый для выделения блок памяти. Некоторые пользователи программы QW-3D столкнулись с этой проблемой, и мы решили ее в версии 5.0. А именно, ini-файл модуля QW-Editor (zednqw.ini в каталоге envir) теперь позволяет установить размер первого блока оперативной памяти, который выделяется первоначально. В стандартном файле zednqw.ini этот блок либо не существует, либо имеет старое, маленькое значение CellDescrChunk=20000. Если вы получаете сообщение, в котором говорится, что недостаточно оперативной памяти для генерации сетки, измените величину CellDescrChunk: увеличивайте ее до тех пор, пока позволяет предел оперативной памяти на вашем компьютере. Если вы установите слишком большую для вашего компьютера величину, вы получите соответствующее предупреждение.

12. Разделение рассеянной мощности вследствие электрических и магнитных потерь.

Начиная с версии 5.0 можно наблюдать отдельно мощность, выделяемую в каждой конкретной ячейке, вследствие электрических и магнитных потерь. Это можно сделать с использованием меню Setup в окне View Field, или использовать новые кнопки PdE и PdH.

13. Замедленный режим.

Мы постоянно работаем над нашей программой, чтобы сделать ее как можно быстрее, и нам очень приятно, что эти наши усилия поддерживаются прогрессом в скорости современных компьютеров. Однако иногда программа работает настолько быстро, что становится трудно пронаблюдать эволюцию полей в реальном времени. Поэтому начиная с версии 5.0 мы ввели специальную команду Run-Slow Down в модуле QW-Simulator. Она вводит контролируемую задержку после каждой FDTD итерации. Отметим, что когда активирован замедленный режим, это приводит к замедлению всего процесса моделирования, даже если отображение полей отключено. Поэтому мы ввели специальный индикатор такого режима: в строке состояния в окне модуля QW-Simulator появляется предупреждение красного цвета Slow Down ON.

14. Новые функции для приложений СВЧ нагрева (вращение нагрузки, теплоперенос).

В версии 5.0 программы QW-3D введены новые функции для приложений микроволновой энергетики. Они подробно описаны в руководстве к модулю QW-BHM. Вкратце, введены следующие возможности:

Взаимный интерфейс между электромагнитным анализом в QW-3D и анализом теплопереноса внешней программой термического анализа. Каждый раз, когда запускается QW-BHM, программа термического анализа подключается после расчета усредненного распределения температуры, но перед изменением параметров среды. Путь к программе термического анализа предопределяется пользователем, так же как и физическая длительность шага диффузии тепла. Одна из программ анализа теплопереноса доступна как часть модуля QW-BHM. Она может быть использована как сама по себе, так и в качестве интерфейса к другим CFD пакетам в виде определенного промежуточного формата. В частности, версия 5.0 поддерживает интерфейс между программами QW-3D и Fluent.

Теперь в программе можно моделировать эффект вращения нагрузки. После установки “Export-Options – Allow rotation”, QW-Editor дает возможность задать параметры вращения, такие как местоположение оси вращения (которая должна быть перпендикулярна к плоскости xy), скорость вращения (в оборотах в минуту), и наименование объекта, который будет вращаться. Затем программа экспортирует набор *.sh3 файлов, соответствующих последовательным угловым позициям нагрузки. При работе модуля QW-BHM,  QW-Simulator переключается между этими файлами на каждом шаге BHM.

15. Новые функции при генерации файла задач.

Улучшен механизм генерации файла задач и добавлены новые возможные задачи, например Save_S_Results_Shift для сохранения S-параметров на плоскостях наблюдения, сдвинутых от их первоначальных позиций. Полный список задач приведен в разделе 3.2 описания QW-Simulator Reference Guide.

16. Новые команды UDO.

Добавлены новые UDO команды для вставки в проект новых материалов различных типов, для установки типа структуры, для определения основной среды для NTF, и много других. Сейчас практически все операции, доступные из диалогов QW-Editor, могут быть выполнены через UDO. Это облегчает скрытый режим работы модуля QW-Editor в пакете  CONCERTO Suite. Полный список UDO команд приведен в разделе 3 описания QW-Editor Reference Guide.

С уважением,

Ведущий рассылки Александр Бровко

mailto: brovkoav@gmail.com

http://www.intercom.ru/quickwave3d