Моделирование
При выполнении данной работы для создания компьютерной модели устройств использовался программный пакет CST STUDIO SUITE 2015. В частности, из этого пакета использовалась программа CST MICROWAVE STUDIO (CST MWS), предназначенная для моделирования трехмерных высокочастотных структур (антенн, фильтров, ответвителей мощности, планарных и многослойных структур), а также анализа сигналов во временной и частотных областях. Инструмент САПР позволяет начертить любое необходимое устройство и приступить к изучению его характеристик. Базовый метод расчета в CST Microwave Studio — метод конечного интегрирования [33]. Для его применения область, в которой происходит решение задачи, разбивается на дискретные ячейки по сетке, причем в CST Microwave Studio присутствует прямоугольная или тетраэдральная сетка разбиения. Причем использование тетраэдальной сетки предпочтительно при расчете структур с поверхностями сложной кривизны. Использование классической прямоугольной сетки разбиения приводит к необходимости использовать слишком мелкую сетку и неоправданно большое число ячеек. Это приводит к большей загрузке процессора и уменьшению производительности. Использование тетраэдальной сетки частично решает эту проблему.
Как уже было сказано выше, основным численным методом расчета является метод конечного интегрирования. Этот метод был предложен Томасом Вейландом в 1977 году и представляет собой дискретную формулировку уравнений Максвелла в интегральной форме. Первым шагом, необходимым для применения данного метода, является определение пространства электромагнитной задачи, которая представляет собой трехмерную область ?. Затем эта область разбивается на дискретные ячейки Vi, которые, в зависимости от выбранного типа разбиения, могут быть тетраэдальными либо гексагональными. Важно отметить, что должно соблюдаться условие точного примыкания ячеек друг к другу, то есть не должно существовать пересечения ячеек, за исключением случая, когда пересечение является общей гранью. Таким образом, создается конечное множество ячеек G, играющее роль сетки расчета.
После определения группы ячеек G требуется рассмотреть отдельную ячейку Vn, используя закон Фарадея
где ?А ? R 3 . Точнее, используется его переписанная дифференциальная форма для грани Az():
Откуда получаем, что скалярная величина
является электрическим напряжением вдоль одного ребра поверхности Az(, т.е. точным значением интеграла от электрического поля вдоль этой границы. Аналогично, скалярная величина
является магнитным потоком, то есть величиной магнитного потока через грань ячейки Az(. Графическое представление этих преобразований показано на рис. 13.
Рисунок 13. Ячейка Vi,j,k-1 с указанными электрическими напряжениями на ребрах и магнитными потоками через поверхности ячейки.
Интегральная форма закона Фарадея справедлива для любой грани A(, входящую в G. Таким образом, данный подход пространственной дискретизации корректен для метода конечных интегралов. Для дальнейшей работы вводится матрица С, содержащая топологическую информацию об отдельных ребрах (она получается из дифференциальной формы закона Фарадея для всех поверхностей в наборе G. Эта матрица представляет собой дискретный оператор ротора на сетке G. Соответственно, вводится дискретный оператор и для дивергенции, его ввод следует из уравнений Максвелла, описывающих электромагнитное поле. В частности, используется уравнение, описывающее отсутствие магнитных зарядов:
где ?V ? R 3 . Оно рассматривается для ячейки Vi,j,k, как показано на рис. 14.
Рисунок 14. Распределение шести магнитных потоков через грани, которые рассматриваются при интегрировании по замкнутой поверхности.
Как задавать форму поверхности в cst studio
Учебное пособие посвящено программе CST STUDIO SUITE, которая по праву завоевала большую популярность среди коммерческих программ, предназначенных для проектирования СВЧ структур. С появлением разнообразных программ электродинамического моделирования изменилось отношение к аналитическим расчетам. Ведь для реальных комплексных СВЧ устройств достаточно сложно получить аналитическое решение задачи анализа, а зачастую это просто не представляется возможным. Однако всё это не должно изменить отношения к обязательному знанию радиотехники, в частности – электродинамики, антенн и устройств СВЧ и смежных с ними дисциплин. Учебное пособие предназначено для студентов и аспирантов, обучающихся по направлению 210400 «Радиотехника» и инженерно-технических работников.
Современное проектирование СВЧ структур произвольной формы остро ставит задачу описания, выбора и подтверждения достоверности модели. Построение достоверной модели связано с задачей расчета и анализа характеристик физической системы, реализуемой на этом устройстве. Это первый важный вопрос, решаемый в процессе проектирования.
Наличие современных пакетов проектирования, анализа и синтеза СВЧ устройств еще не гарантирует достоверности модели. Умение построить адекватную реальной задаче модель является крайне важным для разработчика, и ее рекомендуется развивать эмпирическим путем посредством самостоятельных исследований.
Второй важный аспект проектирования – это все более разнообразные и обобщенные показатели качества, которыми оценивается устройство.
Корректное моделирование радиотехнических объектов сводится как к выбору методов определения характеристик (анализ), так к выбору и реализации методов решения обратной задачи (синтеза). Последняя представляет собой, по сути, задачу параметрического синтеза, то есть оптимизацию параметров структуры выбранной конструкции.
В условиях высокого темпа производства современный исследователь, перед которым ставится задача проектирования части или всей системы, должен однозначно получить ответ: какой метод нужно выбрать для решения конкретной задачи с заданной степенью точности. Другими словами, какое программное обеспечение предпочесть для решения поставленной задачи. Опытного высококвалифицированного специалиста выделяет знание ответа на эти вопросы.
Современная реальность проектирования такова, что часто может возникать необходимость считать задачу на нескольких программах (с использованием различных методов расчета), и только в случае получения близких результатов считать, что задача решена правильно, а модель построена верно.
Учебное пособие написано на основании многолетнего опыта преподавания к.т.н., доцента А.Курушина на кафедре антенных устройств и распространения радиоволн МЭИ. Им были написаны более 10 учебных пособий и монографий, посвященным различным аспектам проектирования СВЧ устройств. Рецензентами данного учебного пособия выступили видные ученые, специалисты в радиотехнической области докт. техн. наук. профессор Б.Л. Коган и канд. техн. наук А.Н. Грибанов.
Книга состоит из Введения, 18 глав, Заключения и списка литературы. Оно включает большое количество иллюстраций. При этом электронная версия книги включает цветные иллюстрации, что помогает студентам и научным работникам в освоении сложной дисциплины, обучение которой основано в последние годы на применении коммерческих программ.
CST STUDIO SUITE– мощная программа трехмерного моделирования процессов распространения электромагнитных полей, разработанная компанией Computer Simulation Technology. Программа использует различные методы расчета (расчет переходных процессов во временной области, анализ в частотной области, расчет с использованием собственных частот, методы физической и геометрической оптики и др.) для моделирования сложных СВЧ структур: фильтров, антенн, циркуляторов, аттенюаторов и т.д. Основной метод – расчет переходных процессов – решает задачи возбуждения СВЧ структуры радиоимпульсами, что отличает ее от большинства других программных продуктов. Кроме этого, комлекс позволяет рассчитать физические характеристики объектов: температуру и мощность поглощения в диэлектрических средах с потерями, а также траектории и статистику распространения частиц в СВЧ устройствах: магнетронах, лампах, ЛБВ, ЛОВ.
Книга включает теоретическую главу, а каждая из глав, которые посвящены решению важных современных практических задач, включает теоретическое введение, а также обзор опубликованных в печати сведений об объекте анализа. В первой главе дается общая характеристика CST STUDIO SUITE, во 2 главе делается обзор численных методов расчета, реализованных в системе, последующие главы посвящены освоению программного обеспечения, с помощью решения простых, но важных задач моделирования и оптимизации коаксиального поворота (3 глава), анализа волноводного Т-моста (4 глава), круглой рупорной антенны (5 глава), а затем более сложных задач с мультифизическим содержанием: моделирование наноструктуры в оптическом диапазоне частот (главы 6, 18), проектирование антенной решетки (7 глава). Затем в книге идет несколько глав, посвященных расчету температурного распределения в биологическом теле, а также радиотехнических системах (главы 8-9), моделирование магнетрона и низкочастотного трансформатора (главы 10-11), несколько глав, посвященных моделированию электровакуумных устройств (лапм, клистронов, лампы бегущей волны и лампы обратной волны (главы 12-15), а также устройств с анизотромными материалами – циркуляторами (главы 16-17).
Современные СВЧ устройства (радиоприемники, передатчики, системы переноса информации на радиочастоте) фактически состоят из антенны, радиоканала приема/передачи, блоков перевода информации из аналогового вида в цифровой и обратно (посредством АЦП/ЦАП) и цифровой части. Отдельные радиотехнические узлы – цифровые фильтры, коммутаторы, системы распознавания образов сигнала, системы разделения полезных сигналов и помех – реализуются в виде микросхем и процессоров. Поэтому проектирование полной системы приема и обработки радиоволн включает анализ коммутационных, модуляционных и прочих узлов, управляемых на уровне «цифры». Эти и другие особенности современных радиосистем требуют разработки и исследований новых методов анализа, синтеза и проектирования как всей системы в целом, так и отдельных узлов. В условиях высокого темпа производства современный исследователь должен однозначно получить ответ на вопрос, какой метод необходимо выбрать для решения конкретной задачи с заданной степенью точности.
Отметим тот факт, что необходимый темп исследований и разработок бортовых и наземных антенных систем невозможен без использования новых информационных технологий проектирования СВЧ структур. Подобные технологии не сводятся только к усовершенствованию распространённых методик аналитического и параметрического синтезов, используемых при анализе и оптимизации на вычислительных машинах в узкоспециализированных программах электродинамического моделирования, разработанных для расчета конкретных задач на основе численных методов решения уравнений Максвелла.
Программа CST STUDIO SUITE, описанию которой посвящено учебное пособие – это мощный комплекс, предназначенный для трехмерного моделирования объектов разнообразной формы. В процессе проектирования СВЧ устройств с помощью CST конструкции в трехмерном представлении создаются с помощью черчения простейших геометрических форм (примитивов) и выполнения логических (булевых) операций над ними. Также имеются широкие возможности импорта моделей из других программ. После того как конструкция начерчена, заданы граничные условия и определено местоположение источников возбуждения, выполняется разбиение всего пространства задачи на сетку, а затем рассчитывается поле в каждой точке пространства.
Исследования и разработки в аэрокосмической и оборонной промышленности постоянно подводят к решению задач на грани возможного. Это распространяется и на специализированные области технологий электромагнитного моделирования. Одна из важных практических задач – оптимизация эффективной поверхности рассеивания (ЭПР) летательных аппаратов и кораблей, другая – решение проблем электромагнитной совместимости радиотехнических систем с учетом влияния корпуса аппарата на эффективность связи. В этих задачах электрические размеры объектов составляют, как правило, сотни длин волн.
Решать подобные задачи с помощью обычных методов объемной дискретизации пространства (метода конечного интегрирования или метода конечных элементов) на обычном персональном компьютере не представляется возможным. В последних версиях CST STUDIO SUITE для решения данного класса задач предлагается использовать метод интегральных уравнений и асимптотические методы расчета. Это позволяет выполнить электродинамический анализ трехмерных структур больших электрических размеров.
Не менее важная особенность CST STUDIO SUITE – возможность полной параметризации модели структуры (от геометрии до свойств материалов), которая использует переменные при определении каждого варьируемого параметра. В комбинации со встроенным оптимизатором и возможностью прямого изменения параметров программа CST Microwave Studio эффективно выполняет проектирование устройств на электродинамическом уровне. Комплекс программ CST Studio Suite, частью которого является Microwave Studio, соответствует возникающим задачам, связанным с биологией и медициной (рис. В.4), освоением космоса, исследованием элементарных частиц. Этот комплекс программ продолжает совершенствоваться и поэтому не теряет своей популярности.
Алгоритм решения современных задач с физическим содержанием сводится к точному моделированию физических процессов, таких как распространение электромагнитных волн, тепловые явления, движение частиц. Он включает в себя оптимизацию процесса проектирования, выработку соотношения между аналитическими и численными методами при решении актуальных задач, стоящих как перед организаторами научной работы, так и перед исполнителями – от научных сотрудников до инженеров.
Развитие программ разработки СВЧ техники идет в ногу с появлением физических задач, связанных с освоением космоса, с исследованием элементарных частиц, в биологии и медицине. Обзору решения современных задач, без которых уже немыслимо развитие науки, посвящена данная работа. Объектом служит комплекс CST, который значительно развивается в последние годы и не теряет пальму первенства в популярности применения его в среде радио и СВЧ инженеров.
Введение в научный обиход понятия «нанотехнология» – это не только дань времени. Освоение радиотехническими науками всё более и более высоких частот привело в конце к тому, что оптический диапазон стал «своим» для радиоинженеров. Однако внедрение в область, где кроме электромагнитной гипотезы света на полных правах работает корпускулярная теория Ньютона, потребовало развития новых областей теории и новых инструментов анализа структур, на которые падают и в средах которых распространяются волны оптического диапазона. Мультифизический подход к решению любых технических задач означает, что в одном процессе выясняются все технические характеристики, которые являются первостепенно важными для решения задач, в которых устройства обработки соизмеримы по размерам со световой длиной волны. Это и температура, и температурное расширение, и потоки элементарных частиц, и явления пробоя генерации холодной плазмы и прочие физические явления.
Предлагаемая книга служит для знакомства и практического освоения программы CST. Книга показывает масштаб комплекса CST и возможности, которые даже могут превосходить заложенные разработчиками программы. Физические задачи, медицинские, тепловые – рассматриваемые в книге – это только небольшая часть, которые можно решать как с исследовательскими, так и учебными целями. CST завоевал большой авторитет в России и странах СНГ, и русскоязычные книги остаются востребованными для развивающихся институтов и университетов.
МиГ-31 – первый в мире серийный истребитель, оснащённый РЛС с пассивной ФАР (ОАО «НИИП им. В.В. Тихомирова»)
Cst Studio Suite — Тепловое моделирование электрических потерь на печатных платах
CST Studio Suite – высокопроизводительный пакет программного обеспечения для ЭМ-анализа в 3D, предназначенный для проектирования, анализа и оптимизации электромагнитных компонентов и систем.
Тепловое моделирование электрических потерь на печатных платах в сравнении с измерениями
Тепловое моделирование может выявить распределение температуры на печатной плате до изготовления физического прототипа. В этом документе демонстрируется быстрый и эффективный рабочий процесс теплового моделирования печатных плат в CST Studio Suite с использованием анализа IR-Drop и демонстрируются преимущества этого подхода. Результаты моделирования также будут сверены с измерениями.
В этом анализе рассматривается печатная плата без какого-либо корпуса. Чтобы максимально упростить этап подготовки модели, все необходимые данные, необходимые для проведения теплового моделирования, получают из анализа ИК-капель (например, источники тепла, тепловые потери печатной платы, геометрия компонентов печатной платы).
Термическое моделирование выполняется с помощью программы сопряженного теплопереноса (CHT) CST Studio Suite, поскольку она лучше всего подходит для данной работы. При таком подходе пользователь экономит много времени при настройке модели, поскольку рабочий процесс не требует от пользователя ручного поиска и определения эквивалентных тепловых моделей (например, 2-резисторных) для каждого отдельного компонента, припаянного на печатной плате. Кроме того, анализ CHT избавляет пользователя от необходимости задавать тепловые поверхности в модели. При необходимости потери переменного тока также могут быть добавлены к моделированию с помощью совместного трехмерного моделирования.
Настройка моделирования и IR-Drop
Как показано на рис.1, процесс моделирования относительно прост. Во-первых, пользователь собирает все необходимые данные (например, модели E-, M-CAD, топологию печатной платы с ее компоновкой и схемами, формы компонентов печатной платы и т. д.). В настоящее время почти вся эта информация уже хранится в файлах, созданных известными инструментами EDA.
Рис. 1. Краткий обзор рабочего процесса.
Во-вторых, пользователь импортирует макет EDA в CST Studio Suite, проверяет его целостность и на основе схемы настраивает и запускает анализ IR-Drop.
Рис. 2. Обзор этапа импорта данных САПР.
Анализ IR-Drop предоставляет пользователю много информации для определения уровня сложности тепловой модели. Например, видно, что расчетные потери мощности в слоях печатной платы относительно малы по сравнению с потерями компонентов (изображены на рис. 3). Следовательно, можно активировать механизм упрощения стека CST Studio Suite, чтобы создать и использовать модель с эквивалентными тепловыми свойствами, но с гораздо меньшей сложностью и, следовательно, более коротким временем моделирования.
Рис. 3. Возможности упрощения тепловой модели на основе результатов IR-Drop.Рис. 4. Анализ тепловой модели с нагрузкой 5 Вт.
Тепловое моделирование
Тепловое моделирование выполняется для двух различных условий электрической нагрузки: 1,5 и 5 Вт (Вт).
Модели, указанные для нагрузки 1,5 Вт, показаны на рис. 3, а для 5 Вт — на рис. 4.
На основе входных данных САПР пользователь может настроить и проанализировать несколько вариантов с различной сложностью компонентов печатной платы (как показано на рис.3).
Для этого сравнения формы компонентов автоматически генерируются CST Studio Suite для создания упрощенной версии для моделей A, B и C с одним исключением в модели A, где силовые резисторы напрямую импортируются из базы данных CAD.
Компоненты характеризуются материалом по умолчанию, автоматически назначаемым рабочим процессом, с теплопроводностью (TC) 5 Вт/K/м. Исключение сделано для силовых резисторов и разъемов (J 1, J 2 ). ТС для этих компонентов подбирается экспериментально на основе общедоступной информации.
Сердечник силового резистора обычно изготавливается либо из стекловолокна, либо из керамического материала, что приводит к TC в диапазоне < 0,5 – 3 > Вт/K/м. Выводы резистора выполнены из меди с TC 401 Вт/K/м.
Соединитель J 2 изготовлен из диэлектрического материала с ТС 1,5 Вт/К/м.
Имитационная модель разъема USB (J 1 ) упрощена. Его оболочка моделируется алюминием с TC 237 Вт/K/м, а его «внутренности» оцениваются как материал с TC 1,5 Вт/K/м.
Ни один из компонентов печатной платы не содержит термопрокладки, поэтому всем им присваивается свойство контакта со стопкой печатной платы. Экспериментально измеренная толщина воздушного зазора изменяется в пределах < 50 – 200 > мкм.
В моделировании используется 50 мкм.
Примечание 1: Три мощных резистора (проходного типа), расположенные с правой стороны печатной платы, рассеивают 1,5 Вт (температура измеряется на резисторе R 3 ).
Примечание 2: Анализируется случай мощностью 5 Вт с внешней резистивной нагрузкой, подключенной через порт USB (J 1 ).
Встроенные резисторы электрически отделены от печатной платы.
Настройка измерения
Измерение выполняется с помощью тепловизора (тепловизионная камера) и двух датчиков (термопары типа К и внутреннего термометра) для подтверждения показаний. Использование датчиков необходимо для получения и определения точного значения излучательной способности тестируемого устройства и температуры окружающей среды для тепловизионных целей. На основе полученных значений температуры рассчитывается средняя температура для всех точек измерения. Расположение зондов показано на рис.5.
Примечание 3: Проведенные испытания не относятся к сертифицированному виду измерений.
Рис. 5. Детали измерений для условий нагрузки: 1,5 Вт.
На основании допусков измерений и имитации упрощенной тепловой модели делается предположение, что максимальное отклонение между результатами имитации и измерения оценивается на уровне +/- 4°C. Все сравниваемые температуры перечислены в следующих таблицах (Рис.6 и Рис.7). Если моделируемая температура превышает предел, соответствующее поле в таблице будет отмечено оранжевым цветом.
Моделирование моделей A и B указывает на то, что уровень сложности форм САПР всегда следует учитывать в зависимости от потребностей пользователя. Как показано на рис. 6а, модель B работает почти в 4 раза быстрее, чем модель A, а общие температурные различия между ними незначительны. Использование упрощенных форм САПР позволяет пользователю проводить больше экспериментов по моделированию и больше узнавать о поведении устройства в различных сценариях, что почти всегда приветствуется, особенно на этапе проектирования.
На рис.6 (6а, 6б) видно, что в зависимости от условий загрузки устройства точность моделирования может снижаться.
Важно помнить, что рабочий процесс CST Studio Suite выполняет анализ IR-Drop для вычисления входных параметров (данных), необходимых для теплового решателя. Анализ IR-Drop позволяет получить потери мощности печатной платы только на уровне постоянного тока на основе расчетных напряжений и токов схемы. Поэтому потери мощности переменного тока не учитываются. Чтобы учесть это, можно выполнить совместное 3D-моделирование в CST Studio Suite.
Рис.6а. Сравнение результатов теплового моделирования для нагрузки 1,5 Вт.Рис.6б. Сравнение результатов теплового моделирования для нагрузки 5 Вт.Рис.7. Сравнение результатов теплового моделирования, включая потери постоянного и переменного тока.
Анализируемое устройство относится к семейству SMPS (импульсный источник питания), что означает, что из-за механизма переключения, используемого устройством для управления уровнями выходного напряжения/тока, часть мощности передается через гармоники, генерируемые источником питания. выключатель. Размер этой части зависит не только от топологии коммутации, но и от условий нагрузки.
К счастью, в CST Studio Suite пользователь может очень быстро сгенерировать 3D-модель ранее импортированной печатной платы и вместе с симулятором интегральной схемы запустить так называемое совместное 3D-моделирование, которое рассчитает дополнительные потери переменного тока топологии и схемы. компоненты платы.
Этот подход удобен для любых компонентов печатных плат, в которых преобладают потери переменного тока.
- силовые катушки индуктивности, трансформаторы, дроссели и другие сопутствующие компоненты, в которых возникают потери мощности из-за потерь в сердечнике, потерь на постоянном и переменном сопротивлении обмоток;
- переключатели (IGBT, MOSFET транзисторы), в которых потери происходят из-за проводимости, механизма переключения и потерь заряда затвора.
Согласие между измерением и моделированием
Применение совместного моделирования к анализируемой печатной плате приводит к результатам, показанным на рис. 7, при этом достигается соответствие между результатами измерения и моделирования. Температура индуктора системы (L 1 ) несколько превышает максимальный допуск, в основном из-за неизвестного материала, используемого для его сердечника.
Тепловое моделирование печатной платы с помощью решателя IR-Drop относительно быстро настраивается и запускается.
Все смоделированные случаи запускались на ноутбуке с четырехъядерным процессором Intel® i7-6820hq®.
Точность результатов вычислений зависит от характера потерь, присутствующих в анализируемой системе. Если преобладают потери переменного тока, рекомендуется запустить совместное 3D-моделирование, чтобы точно зафиксировать их и добавить в тепловой анализ.
Резюме
Согласие между измерениями и моделированием показывает, что рабочий процесс IR-Drop и CFD является эффективным способом расчета нагрева из-за электрических потерь в печатных платах. Рабочие процессы, продемонстрированные в этом сообщении в блоге, легко настроить из стандартных файлов макета EDA, и они могут выполняться на локальных ресурсах, например на одном ноутбуке. CST Studio Suite предлагает инженерам-электронщикам мощный инструмент для быстрой оценки тепловых характеристик своих проектов без физической тестовой платы.