 |
اتصال FEM-BEM یک آنتن پچ میکرواستریپ
معرفی
این مثال نشان می‌دهد که چگونه می‌توان روش اجزای محدود (FEM) را در تجزیه و تحلیل یک آنتن پچ میکرو نواری به روش عنصر مرزی (BEM) برای ارزیابی میدان خارج از حوزه محاسباتی FEM جفت کرد. این مدل پارامتر S، توزیع میدان نزدیک و الگوی تابش میدان دور را از طریق FEM و میدان‌های الکتریکی خارج از یک کره حوزه هوای معین را با BEM محاسبه می‌کند.
شکل 1: تنظیم مدل برای کوپلینگ FEM-BEM. یکی از مرزهای جفت FEM-BEM از نمای حذف می شود تا در دامنه های FEM نشان داده شود.
تعریف مدل
دامنه های FEM حاوی یک آنتن پچ میکرواستریپ است که توسط یک دامنه هوا احاطه شده است. آنتن توسط یک پورت توده ای از نوع یکنواخت تحریک می شود که خط تغذیه بالایی و صفحه پایین زمین را پل می کند. یک بستر 60 میل دارای ثابت دی الکتریک نسبی 3.38 است. جزئیات بیشتر در مورد طراحی آنتن و تطابق امپدانس در نمونه کتابخانه کاربردی مدل Microstrip Patch Antenna آورده شده است.. خارج از حوزه های FEM به عنوان حفره های بی نهایت تنظیم شده است که با استفاده از امواج الکترومغناطیسی، رابط عناصر مرزی تجزیه و تحلیل می شوند. یک گره اتصال میدان الکتریکی در زیر شاخه Multiphysics به جفت بین FEM و BEM در بیرونی ترین مرزهای دامنه های FEM می پردازد. برای تجزیه و تحلیل معمولی فقط FEM، یک شرایط مرزی جذب مانند شرایط مرزی پراکندگی در بیرونی ترین مرزهای بیرونی اختصاص داده می شود تا یک فضای باز برای تجزیه و تحلیل آنتن را توصیف کند.
نتایج و بحث
پارامتر S محاسبه شده زیر 20- دسی بل است که نشان می دهد امپدانس ورودی آنتن با امپدانس مرجع پورت توده (50 Ω ) مطابقت دارد. در شکل 2 ، میدان های الکتریکی قوی در لبه های تابشی مشاهده شده است.
شکل 2: هنجار میدان الکتریکی بر روی صفحه xy در داخل حوزه های FEM رسم شده است.
شکل 3: مولفه y میدان الکتریکی خارج از حوزه های FEM با استفاده از مجموعه داده های Grid 3D که می تواند در هر اندازه ای پیکربندی شود، تجسم شده است.
شکل 3 انتقال صاف میدان الکتریکی از FEM به سطوح BEM را نشان می دهد که قطبش غالب آنتن پچ میکرواستریپ را به تصویر می کشد.
نکاتی درباره پیاده سازی COMSOL
این مدل در صورت درخواست از عملکرد فقط از نمودار استفاده می کند که در گره Results در Model Builder قرار دارد . تجسم نتایج BEM اغلب بیشتر از نمودارهای FEM معمولی طول می کشد. این گزینه ممکن است به صرفه جویی در زمان کمک کند زیرا تا زمانی که با کلیک بر روی دکمه Plot به صراحت درخواست نشود، از بروز هر گونه به روز رسانی طرح جلوگیری می کند .
مسیر کتابخانه برنامه: RF_Module/Antennas/microstrip_patch_antenna_fem_bem
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی  3D کلیک کنید . |
2 | در درخت انتخاب فیزیک ، فرکانس رادیویی > امواج الکترومغناطیسی، FEM-BEM را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Frequency Domain را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
هندسه 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Geometry 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات هندسه ، بخش Units را پیدا کنید . |
3 | از لیست واحد طول ، میلی متر را انتخاب کنید . |
مطالعه 1
مرحله 1: دامنه فرکانس
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش مطالعه 1 ، روی مرحله 1: دامنه فرکانس کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات دامنه فرکانس ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن فرکانس ، 1.575[GHz] را تایپ کنید . |
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | ارزش | شرح |
د | 60 [میلی] | 0.001524 متر | ضخامت بستر |
w_line | 3.2[mm] | 0.0032 متر | عرض خط 50 اهم |
w_patch | 53[mm] | 0.053 متر | عرض پچ |
l_patch | 52[mm] | 0.052 متر | طول پچ |
w_خرد | 7[mm] | 0.007 متر | تنظیم عرض خرد |
l_خرد | 15.5 [mm] | 0.0155 متر | تنظیم طول خرد |
w_sub | 100[mm] | 0.1 متر | عرض بستر |
l_sub | 100[mm] | 0.1 متر | طول بستر |
در اینجا mil به واحد میلی اینچ اشاره دارد، یعنی 1 mil = 0.0254 میلی متر.
هندسه 1
ابتدا بلوک بستر را ایجاد کنید.
لایه
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Block کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Block ، Substrate را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Size and Shape را پیدا کنید . در قسمت متن Width ، w_sub را تایپ کنید . |
4 | در قسمت Depth text l_sub را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن ارتفاع ، d را تایپ کنید . |
6 | قسمت Position را پیدا کنید . از لیست پایه ، مرکز را انتخاب کنید . |
7 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
آنتن پچ را اضافه کنید.
پچ
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Block کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Block ، Patch را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Size and Shape را پیدا کنید . در قسمت متن Width ، w_patch را تایپ کنید . |
4 | در قسمت Depth text، l_patch را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن ارتفاع ، d را تایپ کنید . |
6 | قسمت Position را پیدا کنید . از لیست پایه ، مرکز را انتخاب کنید . |
7 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
رندر وایرفریم را انتخاب کنید تا دید بهتری از قسمت های داخلی داشته باشید.
8 |  روی دکمه Wireframe Rendering در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
قطعات تطبیق امپدانس و یک خط تغذیه 50 Ω ایجاد کنید .
خرد
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Block کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Block ، در قسمت Label text Stub را تایپ کنید . |
3 | قسمت Size and Shape را پیدا کنید . در قسمت متن Width ، w_stub را تایپ کنید . |
4 | در قسمت Depth text l_stub را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن ارتفاع ، d را تایپ کنید . |
6 | قسمت Position را پیدا کنید . از لیست پایه ، مرکز را انتخاب کنید . |
7 | در قسمت متن x ، w_stub/2+w_line/2 را تایپ کنید . |
8 | در قسمت متن y ، l_stub/2-l_patch/2 را تایپ کنید . |
کپی 1 (کپی1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Transforms کلیک کنید و Copy را انتخاب کنید . |
2 | فقط شی blk3 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای کپی ، بخش Displacement را پیدا کنید . |
4 | در قسمت متن x ، -w_stub-w_line را تایپ کنید . |
تفاوت 1 (dif1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Booleans and Partitions کلیک کنید و Difference را انتخاب کنید . |
2 | فقط شی blk2 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای تفاوت ، بخش تفاوت را پیدا کنید . |
4 | زیربخش اشیاء را برای تفریق پیدا کنید . برای انتخاب دکمه ضامن  فعال کردن انتخاب کلیک کنید . |
5 | فقط اشیاء blk3 و copy1 را انتخاب کنید. |
6 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
یک کره برای هوای اطراف اضافه کنید.
کره 1 (sph1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Sphere کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Sphere ، بخش Size را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Radius ، l_sub را تایپ کنید . |
4 |  روی Build All Objects کلیک کنید . |
5 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، Built-in>Air را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
مواد
آب (مت1)
1 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
2 | از لیست انتخاب ، همه دامنه ها و فضای خالی را انتخاب کنید . |
شامل حفره ها برای تجزیه و تحلیل BEM.
لایه
1 | در پنجره Model Builder ، روی Materials کلیک راست کرده و Blank Material را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مواد ، Substrate را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | فقط دامنه های 2 و 3 را انتخاب کنید.  |
4 | قسمت محتوای مواد را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
مجوز نسبی | epsilonr_iso ; epsilonrii = epsilonr_iso، epsilonrij = 0 | 3.38 | 1 | پایه ای |
نفوذپذیری نسبی | mur_eye ; murii = mur_iso، murij = 0 | 1 | 1 | پایه ای |
رسانایی الکتریکی | sigma_iso ; sigmaii = sigma_iso، sigmaij = 0 | 0 | S/m | پایه ای |
امواج الکترومغناطیسی، دامنه فرکانس (EMW)
هادی الکتریکی کامل 2
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی امواج الکترومغناطیسی ، دامنه فرکانس (emw) کلیک راست کرده و شرایط مرزی Perfect Electric Conductor را انتخاب کنید . |
2 |  برای مشاهده ساختار آنتن، چند بار روی دکمه Zoom In در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
3 | فقط مرزهای 7، 12 و 13 را انتخاب کنید.  |
پورت انجماد 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Lumped Port را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 18 را انتخاب کنید.  |
دامنه میدان دور 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و دامنه Far-Field Domain را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای دامنه دور ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 |  روی Clear Selection کلیک کنید . |
4 | فقط دامنه 1 را انتخاب کنید.  |
5 |  روی دکمه Zoom Out در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
محاسبه میدان دور 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Far-Field Domain 1 را گسترش دهید ، سپس روی Far-Field Calculation 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای محاسبه میدان دور ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 |  روی ایجاد انتخاب کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره ای ایجاد انتخاب ، مرزهای جفت FEM-BEM را در قسمت متن انتخاب نام تایپ کنید . |
5 | روی OK کلیک کنید . |
امواج الکترومغناطیسی، عناصر مرزی (EMBE)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی امواج الکترومغناطیسی ، عناصر مرزی (embe) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای امواج الکترومغناطیسی ، عناصر مرزی ، قسمت انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه فضای خالی را انتخاب کنید . |
چند فیزیک
کوپلینگ میدان الکتریکی 1 (elfc1)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Multiphysics روی Electric Field Coupling 1 (elfc1) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای اتصال میدان الکتریکی ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، مرزهای اتصال FEM-BEM را انتخاب کنید . |
مش 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Mesh 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مش ، بخش Sequence Type را پیدا کنید . |
3 | از لیست، مش با کنترل فیزیک را انتخاب کنید . |
4 |  روی ساخت همه کلیک کنید . |
سعی کنید از رندر شفاف استفاده کنید.
5 |  روی دکمه Transparency در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
6 |  روی دکمه Transparency در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
مطالعه 1
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی محاسبه کلیک کنید .
روی محاسبه کلیک کنید .مقدار پارامتر S محاسبه شده را بررسی کنید.
نتایج
پارامتر S (emw)
در پنجره Model Builder ، گره Results>Derived Values را گسترش دهید .
چند برش
1 | در پنجره Model Builder ، گره Results>Electric Field (emw) را گسترش دهید ، سپس روی Multislice کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Multislice ، بخش Multiplane Data را پیدا کنید . |
3 | زیربخش X-planes را پیدا کنید . در قسمت متن Planes عدد 0 را تایپ کنید . |
4 | زیربخش Y-planes را پیدا کنید . در قسمت متن Planes عدد 0 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید .  روی تغییر جدول رنگ کلیک کنید . |
6 | در کادر محاوره ای Color Table ، Thermal>ThermalWaveDark را در درخت انتخاب کنید. |
7 | روی OK کلیک کنید .  |
تنظیمات پلات قطبی را برای تولید الگوی تابش E-plane تنظیم کنید.
الگوی تشعشع 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Results>2D Far Field (emw) را گسترش دهید ، سپس روی Radiation Pattern 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای الگوی تشعشع ، بخش ارزیابی را پیدا کنید . |
3 | زیربخش Normal vector را پیدا کنید . در قسمت متن x ، 1 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن z ، 0 را تایپ کنید . |
5 | زیربخش جهت مرجع را پیدا کنید . در قسمت متن y ، 1 را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن x ، 0 را تایپ کنید . |
7 | در نوار ابزار 2D Far Field (emw) ، روی  Plot کلیک کنید . |
چند برش 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Electric Field، Domains (embe) را گسترش دهید ، سپس روی Multislice 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Multislice ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | در قسمت Expression text embe.Ey را تایپ کنید . |
4 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید .  روی تغییر جدول رنگ کلیک کنید . |
5 | در کادر محاوره ای Color Table ، Thermal>ThermalWaveDark را در درخت انتخاب کنید. |
6 | روی OK کلیک کنید . |
راه حل BEM با استفاده از مجموعه داده Grid 3D 1 تجسم می شود . تغییر اندازه و افزایش وضوح
شبکه سه بعدی 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Results>Datasets را گسترش دهید ، سپس روی Grid 3D 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Grid 3D ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 | زیربخش دوم پارامتر را پیدا کنید . در قسمت حداقل متن، -600 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت Maximum text عدد 600 را تایپ کنید . |
5 | زیربخش سوم پارامتر را پیدا کنید . در قسمت حداقل متن، -600 را تایپ کنید . |
6 | در قسمت Maximum text عدد 1200 را تایپ کنید . |
7 | برای گسترش بخش Grid کلیک کنید . در قسمت متن با وضوح x ، 2 را تایپ کنید . |
8 | در قسمت متن با وضوح y ، 600 را تایپ کنید . |
9 | در قسمت متن با وضوح z ، 1200 را تایپ کنید . |
تجسم نتایج BEM اغلب بیشتر از موارد معمولی FEM طول می کشد. با علامت زدن فقط طرح زمانی که درخواست می شود ، هنگام تغییر تنظیمات، طرح فوراً به روز نمی شود. ابتدا تنظیمات طرح را نهایی کنید و سپس روی دکمه Plot کلیک کنید تا نتایج را ببینید.
10 | در پنجره Model Builder ، روی Results کلیک کنید . |
11 | در پنجره تنظیمات برای نتایج ، قسمت به روز رسانی نتایج را پیدا کنید . |
12 | کادر بررسی Only plot when requested را انتخاب کنید . |
چند برش 1
1 | در پنجره Model Builder ، در Results>Electric Field، Domains (embe) روی Multislice 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Multislice ، بخش Multiplane Data را پیدا کنید . |
3 | زیربخش y-planes را پیدا کنید . در قسمت متن Planes عدد 0 را تایپ کنید . |
4 | زیربخش z-planes را پیدا کنید . در قسمت متن Planes عدد 0 را تایپ کنید . |
5 | برای گسترش بخش Range کلیک کنید . تیک گزینه Manual color range را انتخاب کنید . |
6 | در قسمت حداقل متن، -10 را تایپ کنید . |
7 | در قسمت Maximum text عدد 10 را تایپ کنید . |
سطح 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Surface 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از فهرست مجموعه داده ، مطالعه 1/راه حل 1 (sol1) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Expression را پیدا کنید . در قسمت Expression text emw.normE را تایپ کنید . |
انتخاب 1
1 | روی Surface 1 کلیک راست کرده و Selection را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب ، قسمت انتخاب را پیدا کنید . |
3 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره‌ای Paste Selection ، 5-9، 12، 13، 28 را در قسمت متن انتخاب تایپ کنید . |
5 | روی OK کلیک کنید . |
برش 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Electric Field, Domains (embe) کلیک راست کرده و Slice را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Slice ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از فهرست مجموعه داده ، مطالعه 1/راه حل 1 (sol1) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Expression را پیدا کنید . در قسمت Expression text emw.Ey را تایپ کنید . |
5 | قسمت Plane Data را پیدا کنید . در قسمت متن Planes ، 1 را تایپ کنید . |
6 | برای گسترش بخش Inherit Style کلیک کنید . از لیست Plot ، Multislice 1 را انتخاب کنید . |
7 | در نوار ابزار Electric Field، Domains (embe) ، روی  Plot کلیک کنید . |
توجه داشته باشید که نمودار جریان سطحی در سایر گروه‌های نمودار زمانی می‌تواند از نظر فیزیکی معنادار باشد که بر روی مرزهای رسانای الکتریکی کامل که سطوح فلزی خارج از حوزه‌های FEM را نشان می‌دهند، تجسم شود.
