CST Studio Suite – высокопроизводительный пакет программного обеспечения для ЭМ-анализа в 3D, предназначенный для проектирования, анализа и оптимизации электромагнитных компонентов и систем.
Сложная и конформная конструкция обтекателя на основе частотно-селективных поверхностей
Эффективное моделирование периодических структур и их применение в конструкции обтекателя - основные темы сегодняшнего блога. Я расскажу о рабочем процессе, который приводит нас от отдельного элемента к конечному массиву, а также о подходящих подходах к их моделированию.
Периодические структуры - элементарные ячейки
Периодические структуры часто демонстрируют интересное электромагнитное поведение. Метаматериалы, искусственные магнитные проводники и частотно-селективные поверхности (FSS) — вот несколько примеров приложений, основанных на периодических структурах. Последнее может быть использовано в качестве потенциального подхода для получения настраиваемых обтекателей частотной фильтрации для антенных приложений.
CST Studio Suite может работать с периодическими структурами, используя два основных подхода. Одной из них являются задачи на собственные значения, для которых следует использовать Eigenmode Solver для получения стандартных результатов, таких как диаграммы дисперсии, включая запрещенные зоны и кривые световых линий [3]. Второй подход основан на теореме Флоке, в которой рассматриваются и возбуждаются различные так называемые « моды Флоке » для искомых периодических структур. CST Studio Suite находит передачу и отражение между модами Флоке и другими портами (возбуждениями), существующими в модели.
Настройка моделирования Unit _Cell
Чтобы начать проектирование FSS, я рассматриваю элементарную ячейку диэлектрика на основе гексагональной решетки, заполненную металлическим диском в центре, как показано на рисунке 1. Он моделируется в CST Microwave Studio с использованием решателя частотной области (F-решатель) и элементарной ячейки. граничное условие (анализ режима Флоке).
Рис. 1. Структура элементарной ячейки; Анализ бесконечного массива в режиме Флоке с помощью граничного условия единичной ячейки, предоставляемого внутри Решателя частотной области.Как следует из коэффициента отражения элементарной ячейки (рис. 2а), существует частота, а именно 19,12 ГГц, на которой поля могут в основном проникать через периодическую структуру, в то время как на других частотах наблюдается относительно сильное отражение. Таким образом, можно с уверенностью сказать, что перед нами своеобразный полосовой фильтр.
Установка по умолчанию граничного условия элементарной ячейки обеспечивает результаты моделирования только для нормального падения. Однако важно оценить электромагнитное поведение бесконечной структуры при различных углах падения. Этого можно легко добиться, выполнив прогонку параметра по параметру угла сканирования, указанному в окне граничных условий элементарной ячейки. На рис. 2а показан коэффициент отражения предложенной элементарной ячейки при трех различных углах падения падающей плоской волны. На рис. 2b показано поведение электрического поля на частотах полосы пропускания и режекции соответственно.
Рис. 2а Коэффициент отражения бесконечной решетки на основе разных углов падения.
Рис. 2б Анимация электрического поля на прозрачных и непрозрачных частотах элементарной ячейки.Обтекатель конечного размера на основе FSS
Хотя моделирование на основе бесконечной периодической топологии всегда является хорошей отправной точкой для выяснения того, как работает FSS, его производительность следует проверять в предположениях об обтекателе FSS конечного размера . На рис. 3 показан полный переход от бесконечной решетки к реалистичной конструкции обтекателя.
Рис. 3. Процесс проектирования и анализа периодической структуры для применения в обтекателе.Три подхода к моделированию обтекателей на основе FSS
Здесь возникает вопрос: какой решатель(и) или модель материала следует использовать? Чтобы ответить на этот вопрос, я предлагаю три следующих подхода:
Первый подход заключается в использовании полноволновых решателей и включении всех геометрических деталей обтекателя и антенн. Хотя этот подход был бы наиболее полным, он также был бы наиболее затратным в вычислительном отношении. Тем не менее, CST Studio Suite предлагает несколько способов ускорения времени моделирования, таких как аппаратное ускорение графического процессора, распределенные вычисления, MPI и т. д. Для получения дополнительной информации; см. веб-сайт SIMULIA [4].
Второй подход заключается в использовании полноволновых решателей при представлении обтекателя с помощью моделирования компактного материала, известного как тонкопанельный материал в CST Studio Suite. Материалы для тонких панелей будут определяться либо на основе наложенных друг на друга слоев материалов, либо на основе данных матрицы рассеяния.
Обратите внимание: Искусственный интеллект распознает человека лишь на основе движения глаз.
Сложная геометрия FSS заменяется сплошными и компактными представленными материалами, что выгодно с вычислительной точки зрения. Следует отметить, что тонкая панель является аппроксимированной моделью, основанной на плоской волне и одном угле падения (нормальном падении для типа стека и настроенном пользователем для типа S-матрицы).Третий подход состоит в том, чтобы отделить симуляции антенны от симуляций обтекателя, выполнить каждую из них в наиболее подходящем решателе и установить связь между этими симуляциями через источники поля. Этот подход гибридного решателя позволяет нам использовать, например, асимптотический решатель (A-решатель), в котором для моделирования обтекателя используется алгоритм на основе физической оптики (PO) с трассировкой лучей, а для моделирования антенны используется переходный решатель. Это делает общее моделирование менее затратным в вычислительном отношении. Кроме того, A-решатель поддерживает тонкопанельные материалы, для которых можно определить таблицы отражения и пропускания Френеля для различных углов падения. Эта функция повышает точность результатов симуляций А-решателя.
Результаты моделирования конформного обтекателя типа FSS:
Чтобы продемонстрировать доказательство концепции, я смоделировал полуцилиндрический изогнутый обтекатель на основе FSS. В качестве исходной антенны использовалась F-инверторная антенна с всенаправленной диаграммой направленности.
Рис. 4. Изогнутый обтекатель типа FSS и антенна F-инвертора в полной модели (слева) и тонкой панели (справа) моделирования.Полноволновое моделирование, включая конформную FSS конечного размера и антенну, проводилось с использованием решателя матрицы линий передачи (TLM) во временной области . Анимированные визуализации на рис. 5-7 показывают электрическое поле для f=15, 25 и 19,2 ГГц соответственно.
Частоты Notch-диапазона:
Для частот режекторного диапазона (f = 15 ГГц, f = 25 ГГц) были исследованы и построены только подходы полной модели и тонкой панели. Полевая анимация рисунков 5 и 6 показывает практически идеальное совпадение этих двух подходов для исследуемой структуры.
Рис. 5: Визуализация электрического поля для твердотельной модели (слева) и тонкой панели (справа) при f=15 ГГц.
Рис. 6: Визуализация электрического поля для твердотельной модели (слева) и тонкой панели (справа) при f=25 ГГц.Частоты полосы пропускания:
Интересно сравнить результаты моделирования и для частоты полосы пропускания, а именно 19,2 ГГц. Поскольку не все излучаемые антенной волны попадают на поверхность обтекателя под перпендикулярным углом, генерируются множественные отражения просто потому, что свойства отражения и пропускания элементарной ячейки ЧСС изменяются с изменением угла падения (см. рис. 2а). Это приводит к поведению стоячей волны или резонаторному резонансу. Этот эффект очень хорошо виден на рисунке. 7а. Кроме того, генерируются некоторые поверхностные резонансы, которые можно зафиксировать только с использованием полноволнового подхода, как показано на том же рисунке. Модель тонкой панели (типа S-матрицы), показанная на рис. 7b, не может дать тот же результат по сравнению с полным моделированием модели.
Наконец, мы использовали подход Hybrid Solver для моделирования предложенной модели. Двунаправленный связанный TLM и асимптотический решатель используются для моделирования моделей антенны и обтекателя соответственно. Два решателя обмениваются данными через источник ближнего поля, и относительная остаточная ошибка уменьшается ниже допустимого порога за несколько итераций. Можно отметить, что подход гибридного решателя также способен фиксировать поведение поля стоячей волны аналогично подходу полной модели, как показано на рис. 7c.
Рис. 7a Визуализация электрического поля на частоте f = 19,2 ГГц для полной модели, смоделированной в решателе переходных процессов
Рис. 7b Визуализация электрического поля на частоте f = 19,2 ГГц для S-матрицы тонкой панели, смоделированной в решателе переходных процессов
Рис. 7c Визуализация электрического поля на частоте f = 19,2 ГГц для таблицы тонкой панели-Френеля, смоделированной с помощью гибридного решателя переходных процессов - асимптотических решателейЗаключение
Конформные и частотно-избирательные поверхности, используемые в качестве обтекателей, создают сложную электромагнитную среду, требующую точного и надежного моделирования. В этом исследовании были исследованы три подхода, начиная с полноволнового полного моделирования, полноволнового и компактного моделирования и моделирования гибридного решателя. Стол. 1 суммирует рассмотренные выше подходы и их применение в конструкции обтекателя FSS. Автор надеется, что эта короткая статья поможет пользователям CST Studio Suite глубже понять, как выбрать наиболее подходящий решатель/подход для имитации антенны/обтекателя.
Все создание геометрии, обработка, моделирование были выполнены с помощью CST Studio Suite. Решатель матрицы линий передачи (TLM), асимптотический решатель, решатель в частотной области и рабочий процесс гибридного решателя были решателями, которые использовались в этом исследовании [4].
CST Studio Suite предлагает различные подходы для достижения хорошего баланса между точностью и временем моделирования для различных типов обтекателей.
Таблица 1: Краткое изложение руководства пользователя по моделированию обтекателя в CST Studio Suite.#cst studio suite #cst #simulia #наука #наука и техника #наука и образование #3д моделирование
Еще по теме здесь: Новости науки и техники.
Источник: Cst Studio Suite - Конструкция обтекателя на основе частотно-селективных поверхностей.