نحوه گنجاندن سطوح هندسی با نمودارهای حل

وقتی یک مدل را حل کردید، می خواهید نتایج خود را به بهترین شکل ممکن تجسم کنید. امروز نحوه گنجاندن سطوح هندسی با نمودارهای حل خود را با استفاده از یک مثال مدل سازی RF توضیح خواهیم داد.

درباره مدل آزمایشی ما

آنتن های موجبر یکپارچه بستر (SIW) دستگاه های کوچکی هستند که برای کاربردهایی مانند ارتباطات نظامی و ماهواره ای امیدوار کننده هستند. اجرای آنها بسیار ساده است، آنها هدایت امواج تابشی را آسان می کنند. تجسم نتایج در این دستگاه ها می تواند تصویری یکپارچه از هندسه، مواد و پدیده های فیزیکی موجود ارائه دهد. از همکارم Jiyoun Munn خواستم که به من بیاموزد چگونه تابش RF را در آنتن SIW با استفاده از ابزارهای پس پردازش موجود در COMSOL Multiphysics نشان دهم. این چیزی است که او به من گفت.

پنهان و جستجو: جهت دادن به مدل خود

در زیر هندسه مدلی وجود دارد که برای بررسی برخی از تکنیک های پس پردازش از آن استفاده خواهیم کرد. ما سطوح مختلف را برای اجزای هندسی مختلف در یک طرح حل قرار خواهیم داد. این نوع تجسم به ویژه برای هدایت دانش فیزیک موجود در یک دستگاه مفید است. همچنین برای تأیید صحت عملکرد سخت افزار مفید است.

این آنتن حاوی یک ریزنوار مسی است که روی یک سطح دی الکتریک (معمولاً مخلوطی از PTFE یا تفلون و فایبرگلاس) و یک سری شکاف‌هایی که به محیط باز هستند، پوشانده شده است. اینها هر کدام به عنوان منبع تشعشع عمل می کنند و آنچه را که “امواج نشتی” نامیده می شود یا امواجی که از طریق شکاف ها از موجبر موج می گریزند را تسهیل می کنند. شکاف ها به گونه ای قرار گرفته اند که امواجی که از هر شکافی خارج می شوند، مقدار، فاز و انرژی تابشی متفاوتی داشته باشند. پورت های یکپارچه، ورودی (درگاه Lumped 1) و خروجی (Lumped port 2) هستند که در آن امواج وارد و خارج از موجبر می شوند.

این مدل siw_leaky_wave_antenna.mph نام دارد. مدل کاملاً حل‌شده از طریق به‌روزرسانی کتابخانه‌های مدل COMSOL (در زیر فایل > راهنما > به‌روزرسانی کتابخانه مدل COMSOL > مدل‌های کامل > ماژول RF > آنتن‌ها) قابل دسترسی است. با باز کردن مدل، یکی از اولین چیزهایی که ممکن است متوجه شوید این است که هندسه شامل چندین حوزه خارج از خود آنتن است. اینها دامنه هوا و لایه‌های کاملاً منطبق (PML) هستند که مدل را احاطه کرده‌اند، اما برای اهداف تجسمی، ما نمی‌خواهیم آنها را ببینیم. بنابراین اولین کاری که ما انجام خواهیم داد این است که این موجودات هندسی را پنهان کنیم.

روی گره View در قسمت Component > Definitions کلیک راست کرده و Hide Geometric Entities را انتخاب کنید . مطمئن شوید که سطح موجودیت هندسی روی «دامنه» تنظیم شده باشد. با کلیک کردن روی آن می‌توانید بخشی از یک دامنه را انتخاب کنید (وقتی ماوس را روی آن ببرید قرمز می‌شود):

هنگامی که هر بخش را پنهان کردید، روی گره View کلیک راست کرده و دوباره گزینه Hide Geometric Entities را انتخاب کنید. این بار، تمام حوزه های دایره ای که آنتن را احاطه کرده اند، انتخاب کنید. این به ما اجازه می دهد تا سخت افزار را به وضوح ببینیم.

توجه: همین ویژگی، تجسم فضای داخلی دامنه مدل‌سازی را نیز ممکن می‌سازد. در حالی که ما نیازی به دیدن داخل سخت افزار برای این مدل نداریم، این قابلیت می تواند نگاه خوبی به فیزیک رخ داده در داخل دستگاه بدهد. ما این ویژگی را در قسمت 2 نشان خواهیم داد. با ما همراه باشید!

اکنون، گره Data Sets را در زیر Results گسترش دهید. راه حل 1 را چهار بار با کلیک راست بر روی گره آن و انتخاب Duplicate کپی کنید . ما هر یک از راه حل های جدید را به گونه ای تنظیم می کنیم که با یک قسمت از هندسه مطابقت داشته باشد، به طوری که بتوانیم نتایج متفاوتی را در مناطق مختلف سخت افزار ترسیم کنیم. هر محلول جدید را با توجه به قسمتی از هندسه که مطابقت دارد – مس، دی الکتریک، Vias و Slots نامگذاری کنید (راه حل 1 را همانطور که هست حفظ کنید).

برای هر یک از این راه حل ها، ما باید موجودیت های هندسی مناسب را انتخاب کنیم. روی محلول مس کلیک راست کرده و Add Selection را انتخاب کنید . از سطح موجودیت هندسی، Boundary را انتخاب کنید . سپس روی microstrip کلیک کنید. از آنجایی که ما فقط به بالای آنتن نگاه خواهیم کرد، نیازی به انتخاب مناطق مسی در پایین نیست.

همین کار را برای دی الکتریک، vias و اسلات ها انجام دهید (برای بررسی انتخاب های خود به تصاویر زیر مراجعه کنید).

برای انتخاب vias، چند روش وجود دارد که ساده تر از انتخاب هر بخش از هر مرز استوانه ای یک به یک است. اگر vias ها قبلاً در یک گروه سازماندهی شده اند، می توانید آن گروه را به عنوان مجموعه داده انتخاب کنید. اگر این کار را نکرده‌اند، ساده‌ترین راه برای انتخاب تمام مرزها این است که نمای گرافیکی را به‌گونه‌ای مرتب کنید که تمام via‌ها در ستون‌های عمودی باشند و بتوانید یک کادر انتخاب در اطراف هر مجموعه بکشید. کلیک کنید و ماوس را بکشید تا زمانی که از جهت مدل راضی باشید.

ابزار Select Box در نوار ابزار بالای پنجره گرافیکی ( ) قرار دارد. کلیک کنید و کادر را با دقت در اطراف عناصری که می خواهید برجسته کنید (در این مورد هر ستون vias) بکشید:

ممکن است در نهایت چند مرز بیشتر از آنچه می‌خواهید انتخاب کنید (مانند شکل بالا، که در آن چندین مرز روی شکاف‌ها با رنگ بنفش مشخص شده‌اند). برای لغو انتخاب، روی هر کدام کلیک کنید.

روی مرز دایره ای در بالای هر یک از سوراخ ها کلیک کنید تا آن را از حالت انتخاب خارج کنید. اگر بزرگ‌نمایی کنید، این کار آسان‌تر است. از آنجایی که گذرگاه‌ها به روی محیط در بالا و در مرکز باز هستند، نمی‌خواهیم مرز بالایی مانند فلز به نظر برسد. (ممکن است این فرآیند طولانی به نظر برسد، اما سریعتر از انتخاب هر یک از مرزهای هر سیلندر یک به یک است!)

ظاهر خود را با رنگ های مواد، تغییر شکل ها و الگوهای تشعشعی بپوشانید

اکنون که هر مجموعه داده را داریم، می توانیم شروع به اضافه کردن نمودارهای نتایج کنیم. روی گره Results کلیک راست کرده و یک گروه طرح سه بعدی اضافه کنید. من ترجیح می‌دهم لبه‌های مجموعه داده‌ها را در این سطح نبینم، بنابراین تیک کادر لبه‌های مجموعه داده‌های Plot را در پنجره تنظیمات نمودار برداریم .

روی گروه طرح جدید (گروه طرح سه بعدی 4) کلیک راست کرده و Surface را انتخاب کنید . از آنجایی که ما روی چندین مؤلفه مختلف ترسیم می کنیم – مس، دی الکتریک، دریچه های فلزی، شکاف ها – به چندین سطح نیاز داریم. سطحی را که ایجاد کردید سه بار کپی کنید. گره نتایج شما اکنون باید مانند شکل زیر باشد.

ابتدا اجازه دهید میکرواستریپ را به رنگ مسی زیبا در آوریم. به Surface 1 بروید. در پنجره تنظیمات، مجموعه داده ها را به “Copper” تغییر دهید.

برای ذخیره برخی منابع محاسباتی، عبارت را روی یک متغیر ساختگی قرار می دهیم. از آنجایی که ما نتایج را در این بخش از هندسه ترسیم نمی کنیم، نیازی به بیان فیزیک نیست. در عوض، عبارت را روی ۱ قرار دهید.

به تب Coloring and Style بروید و تنظیمات خود را تغییر دهید تا تقریباً با آنچه در زیر نشان داده شده است مطابقت داشته باشد. مطمئن شوید که انتخاب رنگ‌آمیزی را روی «یکنواخت» تنظیم کرده و سپس رنگ سفارشی نزدیک به مس را انتخاب کنید.

در ابتدا، کمی عجیب به نظر می رسد. اما اشکالی ندارد. هنگامی که ما برای مواد دیگر رنگ اضافه می کنیم، هندسه شروع به واضح تر شدن می کند.

بعد، بیایید رنگ دی الکتریک و vias را اضافه کنیم. ما این کار را دقیقاً همانطور که برای میکرو نوار مسی انجام دادیم (انتخاب رنگ هایی که با مواد مطابقت دارند) انجام خواهیم داد. برای دی الکتریک (اگر به خاطر دارید، معمولاً از یک ورقه ورقه ای PTFE ساخته می شود)، یک رنگ مایل به سفید را انتخاب کنید. برای vias، یک نقره متالیک انتخاب کنید.

هندسه ما کم کم واقعی تر به نظر می رسد. با این حال، برای اسلات ها، نتایج حاصل از داده های شبیه سازی را ترسیم خواهیم کرد. شکاف ها جایی هستند که امواج نشتی تولید می شوند، بنابراین می خواهیم نشان دهیم که میدان الکتریکی در هر یک چقدر قوی است و چگونه از یک سر موجبر به سر دیگر تغییر می کند.

برای Surface 4، مجموعه Data را روی Slots قرار دهید. این بار گزینه Replace Expression را در تب Expression انتخاب کنید. به امواج الکترومغناطیسی، دامنه فرکانس > Electric بروید و روی Electric field norm (emw.normE) دوبار کلیک کنید . روی Plot کلیک کنید :

از نتایجی که به تازگی ترسیم کردیم می‌توانیم ببینیم که میدان الکتریکی در نزدیکی درگاه ورودی بالاترین است و به سمت درگاه خروجی ضعیف می‌شود. اما ما نمی توانیم چیز دیگری بگوییم، زیرا طرح داستان بسیار کوچک است. بیایید ببینیم که آیا می توانیم دید بهتری از الگوی تابش داشته باشیم یا خیر.

روی 3D Plot Group 4 کلیک راست کرده و More Plots > Far Field را انتخاب کنید . یک محاسبه میدان دور طوری رفتار می کند که گویی آنتن بسیار دور است و بنابراین نمای وسیعی را ارائه می دهد که هم جهت و هم شدت انرژی تابشی را نشان می دهد. همانند نمودار سطحی که در شکاف ها ایجاد کردیم، می خواهیم بدانیم میدان الکتریکی چقدر قوی است و چگونه تغییر می کند.

به Replace Expression > Far field بروید و روی Far-field norm (emw.normEfar) دوبار کلیک کنید . روی Plot کلیک کنید .

ما می‌توانیم الگوی تشعشع سه بعدی را در مرکز میکرو نوار ببینیم، اما بسیار کوچک است. از آنجایی که ما با موجبر طوری رفتار می کنیم که گویی بسیار دور است، واقعاً نمی توانیم بگوییم که از اینجا چه خبر است. برای اینکه آن را واضح تر ببینیم، آن را بزرگ می کنیم.

انجام این کار آسان است؛ عبارت را در ضریب 10 ضرب کنید. می توانید این کار را با اضافه کردن 10* در عبارت موجود در فیلد انجام دهید تا کل عبارت به 10*emw.normEfar تبدیل شود . دوباره روی Plot کلیک کنید .

اکنون واضح است که ما باید وضوح را کمی اصلاح کنیم، اما این را برای آخر ذخیره می کنیم. اکنون می توانیم الگوی سه بعدی انرژی تابشی را ببینیم.

با کلیک بر روی مدل و کشیدن ماوس، آنتن را کج کنید. با یک جهت گیری خاص، می توانید الگوی تابش میدان دور را که در زیر بستر گسترش می یابد، مشاهده کنید:

برای اهداف تجسم، ممکن است بخواهیم کل الگو را راحت‌تر از بالا ببینیم، نه اینکه نیازی به نگاه کردن به موجبر از کناری داشته باشیم، جایی که نمی‌توانیم شکاف‌ها را ببینیم. بیایید هندسه آنتن را کمی به پایین تغییر دهیم، به طوری که کل نمودار میدان دور در بالای آن قابل مشاهده باشد.

برای انجام این کار، روی Surface 1 کلیک راست کرده و Deformation را انتخاب کنید . ما یک تغییر شکل بسیار ساده را اضافه می کنیم، یک ترجمه فقط در جهت z . در قسمت Expression، x -component را 0، y -component را 0 و z -component را روی -5 قرار دهید. کادر Scale factor را علامت بزنید و آن را برابر با 1 قرار دهید.

روی Plot کلیک کنید . هندسه ما اکنون بسیار خنده‌دار به نظر می‌رسد، زیرا یک قسمت آن را 5 میلی‌متر به پایین تغییر داده‌ایم، اما بقیه در جای خود باقی مانده است:

با این حال، لازم نیست این مرحله را برای هر سطح دوباره انجام دهیم. می‌توانیم تغییر شکل را کپی کرده و آن را در سایر نمودارهای سطحی بچسبانیم. روی Deformation 1 کلیک راست کرده و Copy را انتخاب کنید . سپس روی هر یک از سطوح دیگر (2-4) کلیک راست کرده و Paste Deformation را انتخاب کنید . اکنون، الگوی میدان دور باید درست بالای آنتن قرار گیرد.

صاف کردن برآمدگی ها: پالایش

تقریبا عالی! در نهایت، اجازه دهید تجسم میدان دور را اصلاح کنیم. روی گره Far Field 1 کلیک کنید و تب Evaluation را گسترش دهید. در اینجا، گزینه هایی برای دو وضوح زاویه متفاوت خواهید دید:و. به طور پیش‌فرض روی آنها تنظیم شده استو. این زوایا تعداد نمونه‌های چرخشی را که شبیه‌سازی بررسی می‌کند، ارتفاع و آزیموت را نشان می‌دهد. هرچه عدد زاویه بالاتر باشد، تجسم الگوی صاف تر و دقیق تر خواهد بود.

سعی کنید هر دو را روی یک عدد نمونه بالاتر تنظیم کنید، به عنوان مثال، 45. این رزولوشن بالاتری را ارائه می دهد، اما هنوز آنطور که ما می خواهیم صاف نیست. برای تجسم بسیار روان از الگوی تابش سه بعدی (اگرچه از نظر محاسباتی نیز تا حدودی سنگین است)، هر دو را روی 180 تنظیم کنید. دوباره روی Plot کلیک کنید. اکنون تصویر واضحی از قدرت و جهت میدان الکتریکی داریم:

تبریک می گویم! شما یک تجسم پیچیده از آنتن و میدان الکتریکی ناشی از تابش موج را تکمیل کرده‌اید، که با سطوح روی انتخاب‌های هندسی منفرد، رنگ‌های واقعی مواد و تغییر شکل‌ها کامل شده است. سعی کنید مدل را در پنجره گرافیک کج کنید تا ببینید کدام نمای را بیشتر دوست دارید.

تجسم ابزارهایی مانند مواردی که در این مدل استفاده می‌کنیم، اغلب برای درک پدیده‌های فیزیک در یک دستگاه، به اشتراک گذاشتن نتایج شبیه‌سازی خود با دیگران، و ایجاد نمودارهای تمیز و زیبای نتایج بسیار مفید هستند. امیدوارم از یادگیری نحوه ترسیم این راه حل ها لذت برده باشید و بتوانید در آینده از این تکنیک ها در مدل های دیگر استفاده کنید.

بیشتر خواندن

• دانلود مدل SIW Leaky Wave Antenna
• درباره تکنیک های پس پردازش بیشتر بخوانید