Численное моделирование электродинамических устройств на базе пакета Comsol Femlab. Метод конечных элементов в решении задач прикладной электродинамики

Задание фиксированных частот или диапазонов частот, в которых будет проводиться моделирование.

·  Апостериорная обработка результатов анализа, включающая просмотр распределения электромагнитных полей и расчет производных от них характеристик.

Технология работы с пакетом  ComsolFemlab

Рассмотрим технологию использования пакета на примере расчета распространения электромагнитных волн в отрезке волновода, образованного двумя плоскими идеально проводящими пластинами. Рассматривается двухмерная задача.

После загрузки программы необходимо выбрать тип решаемой задачи. Перечень предустановленных в программе специализированных модулей показан на рис. 1.

Рис. 1. Выбор типа решаемой задачи.

Рис. 5. Рабочая среда пакета Ansoft HFSS.

Используя встроенный редактор, рисуем отрезок прямоугольного волновода, как показано на рис. 6,7.

Рис. 6. Геометрическая модель волновода.

Рис. 7. Задание размеров волновода.

Далее задаются материальные параметры среды, заполняющей прямоугольный параллелепипед. Для этого используют контекстное меню, активизируемое нажатием правой кнопки манипулятора мышь (рис. 8).

Рис. 8.

Значения материальных параметров выбираются из базы данных, которая показана на рис. 9.

Рис. 9. База данных материальных параметров.

На следующем этапе задаются граничные условия, как показано на рис. 10.

Рис. 10. Задание граничных условий.

Следующий этап предполагает задание портов, т.е. областей, через которые в систему вводится или выводится электромагнитная энергия. Задание портов для волновода прямоугольного сечения показано на рис. 11.

Рис. 11. Задание портов.

Следующий этап состоит в задании режима возбуждения (частота или диапазон частот). Это иллюстрируют рисунки 12,13.

Рис. 12.

Рис. 13.

Далее проверяется корректность задания всех параметров вычислительной электродинамической модели волновода (рисунок 14).

Рис. 14. Проверка полноты и корректности задания параметров модели.

Перед началом расчетов проект сохраняется на жесткий магнитный диск.

Рис. 15.

После этого проводится расчет, который сопровождается информации об основных этапах решения задачи.

Рис. 16.

После завершения решения проводится апостериорный анализ результатов вычислительного эксперимента. В качестве примера выводится распределение электрического поля в волноводе.

Рис. 17. Распределение электрической компоненты поля в волноводе.

Задание и порядок выполнения работы

1.  Ознакомиться с основными положениями метода конечных элементов.

2.  Ознакомиться с возможностями пакета Ansoft HFSS на основе примеров, поставляемых фирмой-разработчиком.

3.  Освоить технологию работы с пакетом на примере расчета распределения электромагнитного поля в прямоугольном волноводе.

4.  Рассчитать распределение электромагнитного поля в прямоугольном волноводе, содержащем неоднородность.

5.  Рассчитать частотные зависимости коэффициентов прохождения и отражения плоской электромагнитной волны от плоского диэлектрического слоя при нормальном падении  линейно поляризованной электромагнитной волны.

6.  Рассчитать частотные зависимости коэффициентов прохождения и отражения плоской электромагнитной волны от решетки из металлических брусьев квадратного сечения. Расчет выполнить для случаев, когда электрическая компонента поля параллельна и перпендикулярна брусьям.

7.  Рассчитать частотные зависимости коэффициентов прохождения и отражения плоской электромагнитной волны от двух параллельных решеток со взаимно перпендикулярными стержнями. Расчет провести для различных расстояний между плоскостями решеток.

8.  Рассчитать ближние и дальние поля антенны в виде отрезка прямоугольного волновода.

Содержание отчета

(в электронном виде)

1.  Цель работы.

2.  Результаты вычислительного эксперимента.

3.  Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1.  Назначение пакета  Ansoft  HFSS.

2.  Технология работы с пакетом Ansoft HFSS.

3.  Особенности формирования электродинамических моделей в среде пакета Ansoft HFSS.

4.  Факторы, влияющие на точность моделирования электродинамических процессов  и систем.

Литература

1.  Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. т.1,-M.; Высшая школа,1970.

2.  Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М; Высшая школа, 1988.

3.  Банков С. Е., Reheiby А. А., Разевит В. Д. А. Анализ и оптимизации трехмерных СВЧ структур с помощью пакета HFSS