Szukaj Logowanie Kontakt

Od kilku lat obserwujemy stały wzrost zainteresowania symulacjami zagadnień pól elektromagnetycznych. Mam na myśli zarówno symulacje komputerowe związane z analizami pól niskich częstotliwości (LF – low frequency) jak i wysokich częstotliwości (HF – high frequency). W niniejszy, artykule chciałbym skupić się na tych drugich. Tu zapewne padnie pytanie co uznaję za wysokie częstotliwości. Słowo "wysokie" może bowiem oznaczać co innego dla konstruktora maszyn elektrycznych (który za wysokie częstotliwości uważa już 500Hz), a co innego dla projektanta układów energoelektroniki, elektroniki czy anten. W moim przypadku pod pojęciem wysokich częstotliwości myślę o urządzeniach, w których mamy do czynienia z zagadnieniem propagacji fali.

Jeszcze kilkanaście lat temu inżynierowie zajmujący się szeroko pojętą elektroniką nie mieli zbyt szerokich możliwości w zakresie symulacji pełnych struktur i modeli 3D. W dzisiejszych czasach dzięki postępowi technologicznemu i zasobom sprzętowym nie ma najmniejszego problemu, aby przenieść na ekran komputera layout płytki PCB wraz z komponentami, a następnie wykonać analizę integralności sygnałowej (SI), mocowej (PI), a także sprawdzić sprzężenia pomiędzy poszczególnymi ścieżkami oraz to czy obudowa na skutek sprzężenia nie będzie działała jak antena zakłócając inne urządzenia w pobliżu. To tylko kilka z wybranych problemów z jakimi na co dzień zmagają się inżynierowie. W tych przypadkach symulacja komputerowa pozwala nie tylko na lepsze poznanie natury problemu, lecz także na jego wyeliminowanie we wczesnej fazie projektu.

Firma ANSYS w swoim bogatym portfolio produktów posiada kilka unikatowych narzędzi umożliwiających symulację pól elektromagnetycznych HF – jednym z takich narzędzi jest ANSYS HFSS (High Frequency Structural Simulator).  HFSS to narzędzie do symulacji pól elektromagnetycznych w 3D, które zostało stworzone do projektowania i symulacji m.in. anten, szyków antenowych, komponentów RF i mikrofalowych, konektorów, filtrów, falowodów, płytek PCB, układów systemów radarowych i ADAS.

Kluczową technologią wyróżniającą HFSS na tle konkurencji jest w pełni zautomatyzowany i adaptacyjny proces tworzenia siatki elementów skończonych, dzięki czemu użytkownik skupia się na konkretnym problemie i nie musi posiadać doktoratu z metody elementów skończonych, aby przygotować odpowiednią siatkę dla rozwiązywanego zagadnienia. Wyróżnikiem programu jest również atrakcyjny i intuicyjny interfejs AEDT (ANSYS Electronics Desktop), który umożliwia rozszerzenie analizowanego zagadnienia o termikę i mechanikę wykorzystując flagowe rozwiązania ANSYS, takich jak programy Icepak, Fluent, Mechanical. HFSS to również liczne solvery w domenie częstotliwości i czasu, solvery hybrydowe oraz możliwość łączenia modelu polowego z modelem obwodowym.

Chciałbym teraz przedstawić kilka rzeczywistych problemów, które pojawiają się dopiero wtedy kiedy przystępujemy do integracji naszego urządzenia np. w samochodzie. Pierwszy przykład z brzegu to nowoczesne systemy komunikacji pomiędzy samochodami V2V (Vehicle to Vehicle) pracujące na częstotliwości 5.9GHz. W przypadku komunikacji V2V jej zasięg wynosi do 300 metrów, a sam system opiera się na sieci połączonych samochodów, umożliwiającej wysyłanie, odbieranie i przekazywanie informacji dotyczącej natężenia ruchu oraz zagrożeń do innych uczestników ruchu drogowego. Anteny V2V na ogół montowane są w trzecim świetle "stop" lub na dachu pojazdu. Problem z którym możemy się spotkać to interakcja anteny z nadwoziem samochodu, a także niewłaściwie dobrane tworzywo pełniące rolę obudowy anteny - jego własności materiałowe mogą spowodować, że nasza antena będzie miała ograniczony zasięg, a w skrajnym przypadku nie będzie w ogóle działała.

 antena  antena RL antena obudowa  antena obudowa RL 

Rys. 1 Wplyw źle dobranego materiału obudowy na działanie anteny systemu V2V (źródło: CADFEM)

Nowoczesne samochody coraz częściej wyposażone są w systemy radarowe, które mają zapobiegać kolizjom oraz monitorować przestrzeń pojazdu i obiekty znajdujące się przed pojazdem. Zasięg radarów wynosi około 50m i pozwala na określenie odległości obiektów z dokładnością do 0.1m, a prędkości do 0.2 m/s. Radary te pracują na 24 oraz 77GHz i są montowane w przednim zderzaku pojazdu. W przypadku radarów pracujących na 77GHz długość fali wynosi raptem 4mm, co przy szerokości zderzaka około 2 metrów oznacza, że mamy do czynienia z rozległym elektrycznie zagadnieniem. Przy tak małej długości fali każdy najdrobniejszy szczegół ma ogromne znaczenie i może decydować o dokładności detekcji obiektów  – kształt zderzaka, grill, warunki pogodowe, a także rodzaj materiału czy grubość powłoki lakierniczej mają wpływ na pojawienie się poważnych problemów w działaniu systemów bezpieczeństwa. W tym przypadku tylko symulacja komputerowa pozwala uwzględnić wszystkie możliwe scenariusze pracy radaru, tolerancje materiałowe czy warunki środowiskowe.

antena zderzak  doppler 

Rys,. 2 Przykład scenariusza analizy pokazujący wykrywanie pojazdów w ruchu ulicznym przez radar umieszczony w przednim zderzaku samochodu

Innym przykładem zastosowania oprogramowania może być sprawdzenie odporności obudowy z wrażliwą elektroniką na zakłócenia z zewnątrz. W tym przypadku możemy zamodelować w programie obudowę wraz z otworami, a następnie w jej wnętrzu umieścić elektronikę i sprawdzić czy zakłócenia z zewnątrz nie spowodują wzbudzenia się ścieżek wewnątrz. Analogiczne podejście polega na sprawdzeniu jak dużo sygnałów z wnętrza obudowy wydostaje się na zewnątrz – w tym przypadku zależy nam, aby obudowa pełniła rolę ekranu i ograniczała problemy związane z emitowaniem zakłóceń na zewnątrz. Jak łatwo zauważyć, ten przykład jest związany z zagadnieniami interferencji i kompatybilności elektromagnetycznej (EMI/EMC).

obudowa

Rys. 3 Wpływ karoserii samochodu na promieniowanie ansteny systemu V2V

Symulacja komputerowa idealnie wpisuje się w trwającą czwartą rewolucję przemysłową (Industry 4.0) - staje się nieodłączną częścią procesu projektowego, pozwala na znaczące obniżenie kosztów związanych z pracami badawczo-rozwojowymi oraz skraca czas wdrożenia produktu na rynek końcowy.

 

Autor: Tomasz Kądziołka

 

Powiadomienia

Chcesz wiedzieć gdy dodamy nowy artykuł? Wybierz kategorię, która Cię interesuje!

STREFA AKADEMICKA

Oprogramowanie

ANSYS WORKBENCH