521365S Tietoliikenteen simuloinnit ja työkalut HFSS MARKO SONKKI Sisältö:

Transkriptio

1 521365S Tietoliikenteen simuloinnit ja työkalut HFSS MARKO SONKKI Sisältö: 1. Johdanto 2. Mihin HFSS:ää käytetään 3. Yleisimmät HFSS sovelluskohteet 4. Ratkaistu data ja sen soveltaminen 5. Simulointiproseduuri 6. Esimerkki 1: Ihmisen pään jako elementteihin 7. Esimerkki 2: Antennimittaus-simulointi 8. Sähkömagneettisten kenttien simulointiohjelmia 9. HFSS osana järjestelmää

2 1. Johdanto Elementtimenetelmä FEM (Finite Element Method) on laajalti käytetty menetelmä mm. sähkömagneettisten ongelmien ratkaisemiseen Muita menetelmiä ovat: Aika-alueen differenssimenetelmä FDTD (Finite Difference Time Domain) Momenttimenetelmä MoM (Method of Moment) Ensimmäiset FEM julkaisut on tehty jo 50-luvulla Laskentatehon rajallisuudesta johtuen 70-luvulla menetelmää käytettiin lähinnä lento-, puolustus-, auto- ja atomiteollisuudessa Johdanto Nykypäivänä laskentatehon kasvaessa on ollut mahdollista ratkaista erittäin monimutkaisia rakenteita ja menetelmä onkin yleistynyt Menetelmän ideana on jakaa tarkasteltava alue pieniin osiin, joita kutsutaan elementeiksi Näiden elementtien kärkipisteitä (ja mahdollisia välipisteitä) kutsutaan solmupisteiksi

3 1. Johdanto HFSS perustuu ns. 3D FEM menetelmään, jossa simuloitava alue jaetaan mukautuvasti tetrahedroilla verkoksi (adaptive mesh) Johdanto Elementti Mikroliuskat w n (x,y) Solmu n Maataso

4 2. Mihin HFSS:ää käytetään? HFSS - High Frequency Structure Simulator - on ohjelmisto suuritaajuisten sähkömagneettisten kenttien simulointiin mielivaltaisissa rakenteissa Teollisuudessa yleisesti käytetty työkalu RF-, langattomien järjestelmien, koteloiden ja optoelektroniikan suunnitteluun Mihin HFSS:ää käytetään? Taajuustason analyysi Parametripyyhkäisy Rakenteen optimointi Läpiviennit rakenteessa Antennit Pakkausmenetelmät On-chip komponentit Liittimet Aaltoputket

5 3. Yleisimmät HFSS sovelluskohteet Säteilijät / Sirottajat Planaariantennit Patch-antennit, Dipolit, Mobiilit päätelaiteantennit, Silmukka-antennit Aaltoputkiantennit Torviantennit Lanka-antennit Dipoli, Helix Muodostelmat Äärettömät antenniryhmät, Taajuusselektiiviset Pinnat (FSS) ja Photonic Band Gaps (PBG) Tutkapoikkipinta-ala Mikroaalto Filtterit Ontelofiltterit, Mikroliuskat, Dielektriset resonaattorit EMC/EMI Kytkentä, lähi- ja kaukokenttäsäteily Siirtymät Koaksiaaliliitin, Mikroliuska-aaltoputkiliitos Aaltoputket Filtterit, Resonaattorit, Suuntakytkimet jne Ratkaistu data ja sen soveltaminen Kentät Sähkökenttä Magneettikenttä Virta (Tilavuus/Pinta) Teho SAR-arvo (Specific Absorption Rate) Säteily 2D/3D Kauko- ja lähikentät 2D/3D Far-/Near-Fields Muodostelmat Säännöllinen ja Custom Setups Tutkapoikkipinta-ala

6 4. Ratkaistu data ja sen soveltaminen Matriisidata S-, Y- ja Z-parametrit Kenttälaskuri Käyttäjä määrittelee kulloinkin laskettavat kentät ja suureet Datan esitysformaatit Tilavuus Pinta Vektori 2D-raportit - Rectangular, Polar, Smithin kartta Datan tulostus Animaatio AVI Datataulukot Grafiikka BMP, GIF, JPG,TIFF, VRML Ratkaisuproseduuri B E = t D B = + J t D = ρ B =

7 5. Ratkaisuproseduuri Input Model Parameters Define Solution Criteria Geometry Material Properties Boundary Condition Frequency Adaptive? Convergence Parameters? Sweep? Sweep Parameters? Perform Initial Solution Generate Mesh Solve Excitations Solve 3D Fields Adaptive? NO Sweep? YES YES Iterate on Solution SOLUTION NO Evaluate vs. Convergence Parameters Refine Mesh and Resolve Exit only when Conv. Parameters Met Perform Sweep Solution Define Excitation across band Solve 3D Fields across band Review Results S-Parameters (Tabular and Plotted) Field Visualization Data Output/Exportation Esimerkki 1: Ihmisen pään jako elementteihin MR [mm] N Tets t Mesh [sec]

8 7. Esimerkki 2: Antennimittaus-simulointi Tehdään kaksi eri simulaatiota. Säteilijä Mitattava Antenni Vastaanotin Näytteenottodipoli Esimerkki 2: Antennimittaus-simulointi.jotka yhdistetään kokonaisuudeksi. Säteilijä Vastaanotin

9 8. Sähkömagneettisten kenttien simulointiohjelmia Elementtimenetelmä (FEM) HFSS OPERA ELMER Momenttimenetelmä (MoM) FEKO IE3D Super-NEC WIPL-D Aika-alueen differenssimenetelmä (FDTD) XFDTD CST Microwave Studio Jotta asiat eivät olisi niin yksinkertaisia HFSS osana järjestelmäsimulointia

10 KIITOS!