CC BY
46
УДК 621.396.6.001.63; 621.396.001.66
МОДЕЛИРОВАНИЕ БЛИЖНЕГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ М.А. Ромащенко, П.П. Чураков
В статье рассматривается прикладная задача определения оптимального места расположения источника электромагнитного излучения внутри корпуса электронного средства для уменьшения напряженности электромагнитного поля в ближней зоне. Приведены объемная и конечно-элементная модель для решаемой задачи, листинг программы на языке APDL. На основании полученных данных и проведенной обработки построены графики распределения электромагнитного поля
Ключевые слова: электромагнитная совместимость, ближнее электромагнитное поле, конструирование, моделирование
Одним из способов конструкторско-технологического обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) электронных средств (ЭС) является оптимальная компоновка конструкции. В частности определение места положения наиболее активных, с точки зрения электромагнитного излучения, элементов с целью минимизации излучения через отверстия в экранированном корпусе [1]. .
По условиям поставленной задачи для корпуса радиостанции, представленной на рис. 1,
необходимо найти оптимальное место для размещения высокочастотных выходных цепей. Корпус радиостанции выполнен из алюминия (т.е. экранирован). Для размещения органов управления в центральной части имеется отверстие. Радиостанция рассчитана на работу в диапазоне 100МГц.
Для моделирования распространения ближнего электромагнитного поля и расчета значений его величин был использован многофункциональный
Ромащенко Михаил Александрович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 243-77-06, e-mail:
muratovav@kipr.vorsu.ru
Чураков Петр Павлович - ПГУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (8412) 36-82-40
программный комплекс конечно-элементных расчетов ANSYS. Использовался модуль HF-Emag позволяющий производить высокочастотный электромагнитный (ЭМ) анализ [2]. Для решения задачи была построена объемная модель корпуса представленная на рис. 2. Т.к. корпус обладает симметрией, то для упрощения анализа была рассмотрена только одна половина корпуса. В соответствии с рекомендациями по проведению ЭМ анализа от разработчика программного комплекса, модель корпуса (небольшой темный прямоугольник в центре см. рис. 2) и окружающего его воздуха (светлая область вокруг корпуса см. рис. 2)
помещается в специальную оболочку, представляющую бесконечное пространство (внешняя темная область см. рис. 2) типа PML (Perfectly Matched Layers). Для формирования пространства с воздухом используются элементы для ВЧ ЭМ анализа типа 3D brick HF120 первого порядка (К 1 = 1). Для формирования области PML также используются элементы для ВЧ ЭМ анализа типа 3D brick HF120 первого порядка (К 1 = 1) с опцией PML (К4=1). Толщина слоя PML рекомендована не менее 1/ 4 и составляет 0,75 м.
Рис. 2. Объемная модель решаемой задачи для проведения моделирования
Для построения конечно-элементной модели и предварительного разбиения используется временный элемент МЕ8Н200. Готовая конечно-
элементная модель после разбиения (меширования) объемной модели представлена на рис.3. В области корпуса и окружающего его воздуха сетка более мелкая для повышения точности анализа. Окружающий слой РМЬ для ускорения анализа разбит более крупными элементами.
gp
Рис. 3. Конечно-элементная модель решаемой задачи для проведения моделирования
Для создания стенок корпуса используется граничное условие идеально проводящей поверхности PEC, которое прикладывается к узлам расположенным в плоскостях соответствующих стенкам корпуса, что представлено на рис. 4. В области отверстия на лицевой панели граничное условие PEC не приложено. Т.о. в данной модели стенки экранированного корпуса считаются идеальным проводником не пропускающим ЭМ излучение, что для практических инженерных расчетов вполне допустимо.
Рис. 4. Стенки корпуса образованы приложением граничных условий PEC
Для анализа ЭМ поля в ближней зоне в программном комплексе ANSYS используется метод поверхности с эквивалентным источником. Такая поверхность должны находиться между источником излучения и границей PML и полностью окружать источник, как это представлено на рис. 5. Для получения такой поверхности выделяются узлы расположенные на расстоянии примерно Я/8 от источника, т.е. 0,375 м. К выделенным узлам применяется поверхностное граничное условие MXWF (Maxwell flag).
Рис. 5. Корпус окружен поверхностью для реализации метода эквивалентных источников
Источник ЭМИ представляется точечным источником с определенными координатами. Для описания воздействующего источника выбирается узел расположенный в данной точке и к нему прикладывается воздействие типа Electric Field Source. По условиям поставленной задачи, этот источник перемещается внутри корпуса и для каждой точки производиться анализ напряженности ближнего ЭМ поля. Система координат имеет начало в центре отверстия расположенного на лицевой панели. Модель симметрична относительна плоскости YZ, а перебор координат производится только в одной четверти корпуса.
Программный код на языке APDL для решения поставленной задачи приведен ниже.
/prep7
! set-up working frequency
freq=1.e8
lambda=3.e8/freq
! define the computational structure
*dim,a,array,5
*dim,b,array,8
*dim,c,array,9
*dim,nnz,array,8
a(1)=0
a(2)=a(1)-0.15
a(3)=a(2)-lambda/8
a(4)=a(3)-lambda/8
a(5)=a(4)-lambda/4
b(4)=-0.1
b(3)=b(4)-lambda/8
b(2)=b(3)-lambda/8
b(1)=b(2)-lambda/4
b(5)=0.1
b(6)=b(5)+lambda/8
b(7)=b(6)+lambda/8
b(8)=b(7)+lambda/4
c(6)=0
c(5)=c(6)-0.15
c(4)=c(5)-0.15
c(3)=c(4)-lambda/8
c(2)=c(3)-lambda/8
c(1)=c(2)-lambda/4
c(7)=c(6)+lambda/8
c(8)=c(7)+lambda/6
c(9)=c(8)+lambda/2
et,11,200,7 ! temporary element
et, 1,120,1 vext,all,,,0,0,(c(9)-c(8))
et,2,120,1,,, 1 ! PML element asel,s,loc,z,c(2)
mp,murx,1,1. aclear,all
mp,perx,1,1. alls
h1=0.1 nummrg,all
h2=0.1 ! flag equivalent source surface
*do,i,1,8 nsel,s,loc,x,a(1),a(3)
nnz(i)=nint((c(i+1 )-c(i))/h2) nsel,r,loc,y,b(3),b(6)
*enddo nsel,r,loc,z,c(3),c(7)
nnz(4)=1.5 esln,s,1,all
nnz(5)=1.5 nsel,s,loc,x,a(3)
*do,i,1,4 nsel,a,loc,y,b(3)
*do,j,1,7 nsel,a,loc,y,b(6)
rect,a(i),a(i+ 1),b(j),b(]+1) nsel,a,loc,z,c(3)
*enddo nsel,a,loc,z,c(7)
*enddo sf,all,mxwf
aglue,all alls
agen,2,all,,,0,0,-(c(6)-c(2)) ! define PEC
asel,s,loc,z,c(6) nsel,s,loc,x,a(2)
adel,all nsel,r,loc,y,b(4),b(5)
asel,s,loc,z,c(2) nsel,r,loc,z,c(4),c(6)
asel,r,loc,x,a(1),(a(3)+a(4))/2 d,all,ax,0
asel,r,loc,y,(b(2)+b(3))/2,(b(6)+b(7))/2 nsel,s,loc,y,b(4)
cm,airs,area nsel,r,loc,x,a(1),a(2)
asel,all nsel,r,loc,z,c(4),c(6)
! 2-d meshing d,all,ax,0
type, 11 nsel,s,loc,y,b(5)
asel,s,loc,z,c(2) nsel,r,loc,x,a(1),a(2)
asel,u,,,airs nsel,r,loc,z,c(4),c(6)
esize,h1 d,all,ax,0
amesh,all nsel,s,loc,z,c(4)
asel,s,,,airs nsel,r,loc,x,a(1),a(2)
esize,h1/2 nsel,r,loc,y,b(4),b(5)
amesh,all d,all,ax,0
! 3-d meshing nsel,s,loc,x,a(5)
mat,1 nsel,a,loc,y,b(1)
! PML element nsel,a,loc,y,b(8)
type,2 nsel,a,loc,z,c(1)
asel,s,loc,z,c(2) nsel,a,loc,z,c(9)
esize,,nnz(1) d,all,ax,0
vext,all,,,0,0,-(c(2)-c(1)) ! define licevaja panel
*do,i,2,7 nsel,s,loc,z,0
asel,s,loc,z,c(i) nsel,r,loc,x,0,-0.04
*if,i,eq,2,then nsel,r,loc,y,-0.04,0.04
asel,u,,,airs cm,panel,node
*endif nsel,s,loc,z,c(6)
esize,,nnz(i)*2 nsel,r,loc,x,a(1),a(2)
vext,all,,,0,0,c(i+1)-c(i) nsel,r,loc,y,b(4),b(5)
*enddo nsel,u,,,panel
! normal element d,all,ax,0
type, 1 alls
*do,i,2,7 ! set up excitation line current
asel,s,loc,z,c(i) nsel,s,loc,z,-0.1
asel,r,loc,x,a( 1 ),(a(3)+a(4))/2 nsel,r,loc,x,0
asel,r,loc,y,(b(2)+b(3))/2,(b(6)+b(7))/2 nsel,r,loc,y,-0.025
esize,,nnz(i)*2 !bf,all,js,3000,0,0
vext,all,,,0,0,c(i+1)-c(i) bf,all,ef,10,10,10
*enddo alls
! PML element fini
type,2 ! perform solution
asel,s,loc,z,c(8) /solu
esize,,nnz(8) antype,harmic
harfrq,freq
eqslv,sparse
solve
finish
! postprocessing
/post1
set, 1,1
! define image symmetric plane hfsym,,pmc
Для расчета значений напряженности
ближнего электромагнитного поля используется стандартная команда
prnear,sphere,sum,,0.4,0,360,360,0,180,180. Т.о. мы можем получить множество значений
напряженности на поверхности сферы удаленной, в данном случае на 0,4 м от начала координат, т.е. от центра отверстия в корпусе, которое выступает в роли излучателя. В корпусе, учитывая его симметричность было выделено 30 точек, и помещая источник возбуждения ЭМ волн
поочередно в каждую из них был проведен анализ.
Для каждой точки проводилось 10 измерений на расстоянии от 0,4 до 0,5 м от условного «начала координат», которое совпадало с геометрическим центром отверстия на лицевой панели корпуса. Т.к. в данном случае используется сферическая система координат, то угол j изменяется от 0 до 360 град., а угол в от 0 до 180 град. Используя программу научной графики и обработки данных Origin, были найдены максимальные значения напряженности ЭМ поля, координаты точки с максимальной напряженностью, а также зависимость напряженности от местоположения источника внутри корпуса. Это распределение представлено на рис. 6.
Во всех случаях, независимо от расположения источника внутри корпуса, максимальная напряженность фиксировалась в точке (0,47; 37; 188), т.е. на расстоянии 0,47 м, что примерно составляет величину Я/ 2p, которую принято считать границей ближнего электромагнитного поля [3]. Максимальная напряженность возникает при расположении источника в точке (0;-0,075;-0,05).
Знак «-» возникает из-за того, что корпус и направление распространения ЭМИ расположены по разные стороны от плоскости лицевой панели. Отверстие в лицевой панели, на рис. 6 обведено жирной линией. Т.о., максимальная напряженность возникает при расположении источника вблизи лицевой поверхности с излучающим отверстием, но не напротив отверстия, а в смещении от оси симметрии. Минимальная напряженность возникает при расположении источника в точке (0;-0,025;-0,25). Т.о., минимальная напряженность возникает при максимальном удалении источника от лицевой поверхности напротив отверстия.
Рис. 6. Зависимость напряженности ближнего электромагнитного поля от местоположения источника внутри корпуса
Литература
1. Ромащенко М. А. Практическое применение конструкторско-технологических решений обеспечения ЭМС и ЭМУ в электронном приборостроении
2. ANSYS help system - © 2010 SAS IP, Inc.
3. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для быстродействующей аппаратуры / Л.Н. Кечиев - М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. - 616 с.
Воронежский государственный технический университет Пензенский государственный университет
MODELING OF THE NEAR ELECTROMAGNETIC FIELD OF CONSTRUCTIONS ELECTRONIC SYSTEMS WITH USE OF NUMERICAL METHODS M.A. Romashchenko, P.P. Churakov
In article the applied problem of definition of the optimum location of a source of electromagnetic radiation in the case of electronic means for reduction of intensity of an electromagnetic field in a near zone is considered. Are resulted surface and finite-element model for a solved problem, program listing in language APDL. On the basis of the received data and the spent processing schedules of distribution of an electromagnetic field are presented
Key words: electromagnetic compatibility, near electromagnetic field, designing, modelin
