KOLMEPORTTISEN KIERTOELIMEN SIMULOINTI COMSO- LILLA



Samankaltaiset tiedostot
KELAN INDUKTANSSI VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Miika Manninen, n85754 Tero Känsäkangas, m84051

MIKROAALTOUUNI VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Tuomas Karri i78953 Jussi Luopajärvi i80712 Juhani Tammi o83312

VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Lauri Karppi j SATE.2010 Dynaaminen kenttäteoria DIPOLIRYHMÄANTENNI.

VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Jouko Esko n85748 Juho Jaakkola n Dynaaminen Kenttäteoria GENERAATTORI.

KESTOMAGNEETTI VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Jani Vitikka p87434 Hannu Tiitinen p Dynaaminen kenttäteoria SATE2010

Harjoitustyö, joka on jätetty tarkastettavaksi Vaasassa

Matematiikan tukikurssi

AALTO-OPAS H-BEND VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Juhana Kankainen j82081 Teemu Lahti l82636 Henrik Tarkkanen l84319

Häiriöt kaukokentässä

suunta kuvassa alaspäin. Virrankuljettajat liikkuvat magneettikentässä ja sähkökentässä suoraan, kun

ELEKTROMAGNEETTISET VOIMAT SAMANSUUNTAISISSA VIRTA- JOHDOISSA

V astaano ttav aa antennia m allinnetaan k u v an m u k aisella piirillä, jo ssa o n jänniteläh d e V sarjassa

SIS. Vinkkejä Ampèren lain käyttöön laskettaessa magneettikenttiä:

Luento 6. June 1, Luento 6

MS-A Matriisilaskenta Laskuharjoitus 3

HÄVIÖLLISEN PYÖREÄN AALTOJOHDON SIMULOINTI

Sähköstaattisen potentiaalin laskeminen

Induktio kaavan pituuden suhteen

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Scanned by CamScanner

Esimerkki 8. Ratkaise lineaarinen yhtälöryhmä. 3x + 5y = 22 3x + 4y = 4 4x 8y = r 1 + r r 3 4r 1. LM1, Kesä /68

Suuntaavuus ja vahvistus Aukkoantennien tapauksessa suuntaavuus saadaan m uotoon (luku ) E a 2 ds

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

11.4. Rakenteellista käsittelyä tilavuusrenderöintialgoritmeissa

RADIOTEKNIIKKA 1 HARJOITUSTYÖ S-2009 (VERSIO2)

MAA10 HARJOITUSTEHTÄVIÄ

PAKOPUTKEN PÄÄN MUODON VAIKUTUS ÄÄNENSÄTEILYYN

S Laskennallinen Neurotiede

Matematiikan tukikurssi

= ωε ε ε o =8,853 pf/m

Laske relaksaatiotaajuus 7 µm (halk.) solulle ja 100 µm solulle.

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Asenna myös mikroskopian lisäpala (MBF ImageJ for Microscopy Collection by Tony Collins)

766320A SOVELTAVA SÄHKÖMAGNETIIKKA, PREPPAUSTA PÄÄTEKOKEESEEN 2014

Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio

RYHMÄKERROIN ÄÄNILÄHDERYHMÄN SUUNTAAVUUDEN

PERMITTIIVISYYS. 1 Johdanto. 1.1 Tyhjiön permittiivisyyden mittaaminen tasokondensaattorilla . (1) , (2) (3) . (4) Permittiivisyys

Sähköstatiikan laskuissa useat kaavat yksinkertaistuvat hieman, jos vakio C kirjoitetaan muotoon

Kuntosaliharjoittelun kesto tunteina Kokonaishyöty Rajahyöty

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 7,

4A 4h. KIMMOKERROIN E

2.7 Neliöjuuriyhtälö ja -epäyhtälö

l s, c p T = l v = l l s c p. Z L + Z 0

1.1 Tyhjiön permittiivisyyden mittaaminen tasokondensaattorilla

L2TP LAN to LAN - yhteys kahden laitteen välille

SATE2010 Dynaaminen kenttäteoria syksy /8 Laskuharjoitus 7 / Smithin-kartan käyttö siirtojohtojen sovituksessa

Mekaniikan jatkokurssi Fysp102

Matematiikan tukikurssi 3.4.

TW- EAV510: WDS- TOIMINTO KAHDEN TW- EAV510 LAITTEEN VÄLILLÄ

Lisää segmenttipuusta

Lauri Tarkkonen: Kappa kerroin ja rinnakkaisten arvioitsijoiden yhdenmukaisuus

(x 0 ) = lim. Derivoimissääntöjä. Oletetaan, että funktiot f ja g ovat derivoituvia ja c R on vakio. 1. Dc = 0 (vakiofunktion derivaatta) 2.

3.32. On tärkeätä muistaa, että tehosta desibeleissä puhuttaessa käytetään kerrointa 10 ja kentänvoimakkuuden yhteydessä kerrointa 20.

1.1 Magneettinen vuorovaikutus

Käyttöjärjestelmät: Virtuaalimuisti

Radiotekniikan perusteet BL50A0301

Perusopetuksen aamu- ja iltapäivätoiminnan laadun arviointi 2016 Västankvarns skola/ Tukiyhdistys Almus ry.

Eksponenttifunktion Laplace muunnos Lasketaan hetkellä nolla alkavan eksponenttifunktion Laplace muunnos eli sijoitetaan muunnoskaavaan

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

Huomaa, että 0 kitkakerroin 1. Aika harvoin kitka on tasan 0. Koska kitkakerroin 1, niin

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

521384A RADIOTEKNIIKAN PERUSTEET Harjoitus 3

HARJOITUS 7 SEISOVAT AALLOT TAVOITE

Laakerin kestoikälaskenta ISO-281, ISO-281Add1 ja ISO16281 mukaan

Kapasitiivinen ja induktiivinen kytkeytyminen

ÄÄNEKKÄÄMMÄN KANTELEEN MALLINTAMINEN ELEMENTTIME- NETELMÄLLÄ

N:o Liite 1. Staattisen magneettikentän (0 Hz) vuontiheyden suositusarvo.

Kuva 1. Mallinnettavan kuormaajan ohjaamo.

monissa laskimissa luvun x käänteisluku saadaan näyttöön painamalla x - näppäintä.

Magneettikenttä väliaineessa

Epäyhtälön molemmille puolille voidaan lisätä sama luku: kaikilla reaaliluvuilla a, b ja c on voimassa a < b a + c < b + c ja a b a + c b + c.

REUNAEHTOJEN TOTEUTUSTAPOJA AALTOJOHTOVERKOSSA

2.2 Täydellinen yhtälö. Ratkaisukaava

Magneettikenttä väliaineessa

Asenna myös mikroskopian lisäpala (MBF ImageJ for Microscopy Collection by Tony Collins)

Idesco EPC. Ajoneuvontunnistus Idesco Oy C00442F 1.01

Antennit ja syöttöjohdot

tyhjönkaltaisessa väliaineessa. Aineen mikroskooppinen rakenne aiheuttaa todellisuudessa kullekin atomille ominaisen magneettisen dipolimomentin

Aluksi Kahden muuttujan lineaarinen epäyhtälö

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Hypoteesin testaus Alkeet

Uudenkaupungin edusta. Laatinut Sakari Lindström Kuvat ovat vuosilta

TASA- JA VAIHTOVIRTAPIIRIEN LABORAATIOTYÖ 5 SUODATINPIIRIT

TARKASTUSLAUTAKUNNAN KOKOUS

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

TILASTOLLINEN LAADUNVALVONTA

EMC Suojan epäjatkuvuudet

VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Maarit Vesapuisto SATE.2010 DYNAAMINEN KENTTÄTEORIA. Opetusmoniste: Antennit

SMG-4450 Aurinkosähkö

Hae Opiskelija käyttöohje

Eläkelaitoksen Optimointimallin Rakentaminen

LUT, Sähkötekniikan osasto. 1. Ilmassa etenevällä tasoaallolla on sähkökentän voimakkuus z. d) vaihekerroin

Korvakäytäväkojeiden käyttöohje

Hierarkkiset koeasetelmat. Heliövaara 1

PIENTAAJUISET SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTÄT HARJOITUSTEHTÄVÄ 1. Pallomaisen solun relaksaatiotaajuus 1 + 1

RF-tekniikan perusteet BL50A Luento Antennit Radioaaltojen eteneminen

- Kahden suoran johtimen välinen magneettinen vuorovaikutus I 1 I 2 I 1 I 2. F= l (Ampèren laki, MAOL s. 124(119) Ampeerin määritelmä (MAOL s.

Ch2 Magnetism. Ydinmagnetismin perusominaisuuksia.

P-Frami sopimusasiakkaan käyttöohje

Muodonmuutostila hum

Transkriptio:

VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA Toni Harju, L8435 Jari Heiskanen, M8756 Janne Vikman, E7556 SATE00 Dynaaminen kenttäteoria KOLMEPORTTISEN KIERTOELIMEN SIMULOINTI COMSO- LILLA Sivumäärä: Jätetty tarkastettavaksi:..006 Työn tarkastaja Maarit Vesapuisto

SISÄLLYSLUETTELO. JOHDANTO 3. MALLIN MÄÄRITTELY 5 3. SIMULOINTI 7 4. YHTEENVETO

3. JOHDANTO Kiertoelin (engl. circulator) on laite, joka ohjaa porttiin tulevat aallot porttiin 3, porttiin 3 tulevat aallot porttiin ja niin edelleen (kts. kuva ). Kiertoelimiä käytetään esimerkiksi yhdistettäessä erillinen lähetin ja vastaanotin samaan antenniin, koska lähetin saattaisi vaurioitua vastaanottosignaalin tehosta. Kiertoelimet perustuvat yleensä epäisotrooppisiin aineisiin, useimmiten ferriitteihin. Tässä esimerkissä kolmiporttinen kiertoelin rakennetaan kolmesta suorakaidepoikkipintaisesta aaltojohtimesta, jotka on liitetty toisiinsa 0 kulmaerolla. Liitoksen keskellä on ferriittinapa, joka ohjaa aallot oikeisiin portteihin. 3 3 Kuva. Kolmiporttinen kiertoelin ja aaltojen kulkusuunnat Jokaiseen haaraan on lisätty eristeestä valmistettu säätöelementti, jotta liitokset vastaisivat toisiaan mahdollisimman hyvin. Ferriittinapa magnetoidaan staattisella, akselinsuuntaisella, magneettikentällä, joka merkitään tästä lähin H 0. Magneettikenttä luodaan yleensä kestomagneeteilla. Tässä esimerkissä keskitytään ferriitin mallintamiseen ja syöttävän portin heijastusten minimoimiseen liitoksen sovittamisella sovituselementin avulla. Liitosten sovittaminen käsittää TE 0 aaltomuodon etenemiskyvyn laskemisen porttien välillä eri materiaaleista tehdyillä sovituselementeillä. Tämä tehdään laskemalla raken-

4 teen S-parametrit (sirontaparametrit) sovituselementtien permittiivisyyden funktiona käytettäessä TE 0 perusmuotoista aaltoa. S-parametrit ovat kiertoelimen läpäisyn ja heijastuksen mitta. Tässä esimerkissä käsitellään vain TE 0 -aaltomuotoa. Koska TE 0 -aaltomuodon heilahtelut tapahtuvat -ulotteisessa tasossa, niin mallinnus voidaan tehdä -uloitteisena.

5. MALLIN MÄÄRITTELY Tässä esimerkissä riippuvainen muuttuja on sähkökenttä E:n z-komponentti, joka noudattaa yhtälöä jσ ( µ r Ez ) ε r k0 Ez = 0, () ωε 0 missä µ r on suhteellinen permeabiliteetti, σ johtavuus, ε 0 tyhjiön permittiivisyys, ε r suhteellinen permittiivisyys ja k 0 on tyhjön aaltonumero. Häviöitä ei huomioida, joten johtavuus on aina 0. Tässä mallissa magneettinen permeabiliteetti on avain asemassa, sillä epäisotrooppisena parametrina kiertoelimen epäresiprookkinen toiminta riippuu siitä. Järjestelmää mallinnettaessa on oletettu, että staattinen akselin suuntainen magneettikenttä H 0, jolla ferriittinapa on magnetoitu, on huomattavasti mikroaallon magneettikenttää suurempi, joten tulokset ovat linearisaatio piensignaalianalyysistä tarkastelupisteen ympäristössä. On myös oletettu, että H 0 on tarpeeksi vahva, jotta ferriitti on magneettisessa saturaatiotilassa. Edellisin oletuksin ja häviöt poissulkien saadaan positiivisen z-akselin suuntaan magnetoidun ferriitin epäisotrooppiseksi permeabiliteetiksi: µ jκ 0 µ = jκ µ 0, () 0 0 µ 0 [ ] jossa κ ωω m µ 0, ω0 ω = µ ωω +, (3) ω0 ω m µ = 0 ja ω 0 = µ 0γ H 0, ωm = µ 0γ M s (4) Missä µ 0 on tyhjiön permeabiliteetti, ω on mikroaaltokentän kulmanopeus, ω 0 on pyörivän elektronin Larmorin taajuus magneettikentässä H 0, ω m on elektronin Larmorin taajuus ferriitin magneettisessa saturaatiopisteessä M s ja γ on elektronin gyromagneettinen suhde. Häviöttömälle ferriitille, permeabiliteetti tulee selvästi rajoittamattomaksi kulmanopeudella ω = ω 0. Aidossa tilanteessa resonanssista tulee häviöiden takia rajallinen.

6 Tässä analyysissä toimintataajuus on valittu riittävän kauas Larmorin taajuudesta epäjatkuvuuskohdan välttämiseksi. Magnesiumferriitin tiedot, M s =,39e5 A/m ja ε r =,9. Käytetty magneettikentän voimakkuus on H 0 =,7e5 A/m, joka on selvästi saturaatiopisteen yläpuolella. Elektronin gyromagneettinen suhde on 7,759e C/kg. Mallia on aluksi simuloitu 0 GHz taajuudella, joka on selkeästi cm x cm poikkipintaisessa aaltojohtimessa TE 0 -aaltomuodon katkotaajuuden yläpuolella. Porteissa sovitetut porttien rajaehdot mahdollistavat aallon läpikulun.

7 3. SIMULOINTI Simulointien tarkoituksena on löytää optimaalinen permittiivisyyden ε r :n (mallissa: eps_r) arvo eri taajuuksilla. Optimaalisella ε r :n arvolla kiertoelimellä on optimaalinen energiansiirto syöttöportista lähtöporttiin eikä seisovia aaltoja muodostu juuri lainkaan. Suoritimme ensin simulaation esimerkin omilla parametreilla: Kuva. Simulaatioesimerkin alkuparametrit. Simuloidut magneettikentät on esitettynä kuvassa 3.

8 3 Kuva 3. Järjestelmä simuloituna optimoimattomalla eps_r:n arvolla. Kuten kuvasta näkyy, niin optimoimattomalla eps_r:n arvolla (,5) syöttävään porttiin muodostuu heijastusten takia seisovia aaltoja (kuvassa valkoiset läiskät). Simulaatio suoritettiin parametrisena ajona, jolloin eps_r:n arvoa liu utettiin välillä,0,5. Kiertoelimen S-parametrimatriisi saadaan esille kirjoittamalla comsol:in komentoriviikkunaan seuraavasti. C» S=sparametermatrix(fem,'scale','db') S = -7.8534 -.046 -.069 -.064-7.8537 -.047 -.047 -.06-7.8530 Matriisia luetaan siten, että pystysarakkeet kuvaavat syöttävää porttia ja vaakarivit vastaanottavaa porttia. Näin saadaan, että esimerkiksi porttiin yksi syötetty aalto tulee ulos portissa kolme noin, db:n vaimennuksella.

9 Kuva 4. S :n arvo eps_r:n funktiona. Kuvassa 4 näkyy S -parametri sovitettujen elementtien suhteellisen permittiivisyyden ε r funktiona. S -parametri vastaa heijastuskerrointa portissa. Siispä liitoskohtien sovittaminen vastaa S suuruuden minimointia. Valitsemalla ε r noin,9, saavutetaan noin -35 db:n heijastuskerroin, joka on hyvä arvo kiertoelimen suunnittelussa. Päättelemällä seisovien aaltojen kuvioiden puuttumisesta sähkökentän vaikutusalueella ja katsomalla mikroaaltojen energiavirran suunta alla olevasta kuvasta, on selvää, että kiertoelin toimii kuten halutaan. 3 Kuva 5. Järjestelmä simuloituna optimoidulla eps_r:n arvolla.

0 Seuraava matriisi on kiertoelimen S-parametrimatriisi laskettuna optimoidulla eps_r:n arvolla,9. C» S=sparametermatrix(fem,'scale','db') S = -35.0509-0.007-35.59-35.7-35.060-0.007-0.007-35.435-35.0350 Kuten matriisista nähdään, niin porttiin yksi syötetty teho ohjautuu lähes vaimentamattomana porttiin kolme. Seuraavaksi kokeilimme simuloida kiertoelintä muutetuilla arvoilla. Käytimme muuten samoja arvoja kuin edellisessä, mutta taajuus oli muutettu 7,5 GHz:iin, magneettikenttää H 0 oli kasvatettu +0,8e5 A/m. Ensin käytimme parametrista ajoa hakiessamme arvoa suhteelliselle permittiivisyydelle. Kuva 6 esittää magneettikenttiä kiertoelimessä eps_r:n arvolla,5. 3 Kuva 6. Kiertoelin simuloiduilla muutetuilla arvoilla ja eps_r:n ollessa,5.

Kuten kuvassa näkyy, niin eps_r:n epäoptimaalisuudesta johtuen kiertoelimessä esiintyy seisovia aaltoja. Seuraavassa kuvassa näkyy S :n arvo eps_r:n funktiona. Kuva 7. S :n arvo eps_r:n funktiona muutetulla taajuudella ja magneettikentällä. Kuvasta näkyy, että tässä tapauksessa optimaalinen arvo eps_r:lle on noin,6. Seuraavassa kuvassa on vielä esitettynä kiertoelimen magneettikentät muutetuilla arvoilla ja optimoidulla eps_r:n arvolla. 3 Kuva 8. Kiertoelimen magneettikentät muutetuilla arvoilla ja eps_r:n ollessa,6.

4. YHTEENVETO Simulaatiossa osoitettiin, kuinka sopivalla magneettikentällä aaltojen kulkua voidaan muuttaa ja saada täten aikaan epäresiprookkinen toiminto. Lisäksi simulaatiossa havainnollistettiin sovituselementtien suhteellisen permittiivisyyden vaikutusta syötetyn aallon heijastumiseen ja täten myös seisovien aaltojen syntyyn.