 |
مدل‌سازی جاذب‌های هرمی برای یک محفظه آنکویک
معرفی
در این مثال، یک جاذب مایکروویو از یک آرایه 2 بعدی بی نهایت از ساختارهای هرمی با تلفات ساخته شده است. جاذب های هرمی با مواد جاذب تشعشع (RAM) معمولاً در محفظه های آنکوئیک برای اندازه گیری امواج الکترومغناطیسی استفاده می شوند. جذب مایکروویو با استفاده از یک ماده با اتلاف برای تقلید از خواص الکترومغناطیسی فوم رسانای باردار با کربن مدل‌سازی می‌شود.
شکل 1: یک آرایه دو بعدی بی نهایت از جاذب های هرمی با استفاده از شرایط مرزی تناوبی در دو طرف یک سلول واحد مدل سازی شده است.
تعریف مدل
آرایه دو بعدی نامتناهی از ساختارهای هرمی با استفاده از یک سلول واحد با شرایط مرزی دوره‌ای Floquet در چهار طرف، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، مدل‌سازی شده است . هندسه یک سلول واحد شامل یک هرم است که روی بلوکی از همان ماده قرار دارد. لایه های کاملاً منطبق (PML) در بالای هرم وجود دارد و فضای باقی مانده بین هرم و PML با هوا پر شده است.
جاذب هرمی از یک ماده رسانا ( σ = 0.5 S/m) ساخته شده است. در فصل مشترک مواد رسانا و هوا، میدان فرود تا حدی منعکس شده و تا حدی به داخل هرم منتقل می شود. میدان منتقل شده در داخل ماده با اتلاف ضعیف می شود. برای زوایایی در محدوده خاصی از تابش معمولی، جهت انتشار میدان بازتابی به سمت منبع بر نمی گردد، بلکه به سمت سطح دیگری از ماده رسانا است. فرآیند بازتاب جزئی و انتقال جزئی با تضعیف بعدی تا زمانی که میدان به پایه هرم برسد تکرار می شود. دامنه میدان در قاعده هرم به شدت کاهش می یابد و بنابراین انعکاس از جاذب در این نقطه حاشیه ای است. فرآیند در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل 2: موج فرودی تا حدی به فوم رسانا منتقل می شود و سپس ضعیف می شود. برای زوایایی در محدوده خاصی از تابش معمولی، جزء بازتابی میدان به سمت سطح رسانای دیگری منتشر می شود که در آن فرآیند تکرار می شود.
قسمت پایینی جاذب دارای یک لایه نازک بسیار رسانا است تا از هرگونه سر و صدای خارج از محفظه آنکوئیک جلوگیری کند. قبل از نصب جاذب ها بر روی دیواره های محفظه آنکوئیک، لازم است یک پوشش رسانا بر روی دیوارها اعمال شود که به عنوان یک رسانای الکتریکی کامل (PEC) مدل سازی شده است.
دامنه مدل بلافاصله خارج از فوم رسانا با هوا پر می شود. لایه‌های کاملاً منطبق (PML) بالای هوا در بالای سلول واحد، حالت‌های مرتبه بالاتر ایجاد شده توسط ساختار تناوبی – در صورت وجود – و همچنین حالت برانگیختگی رو به بالا را از پورت منبع جذب می‌کنند. PML ها میدان را در جهت عمود بر مرز PML ضعیف می کنند. از آنجایی که مدل برای طیفی از زوایای برخورد حل شده است، طول موج در داخل PML ها روی 2 π/ | k 0 cos θ |، که به نوعی طول موج جزء نرمال بردار موج است.
یک شرط مرزی پورت در مرز داخلی PML ها، در مجاورت حوزه هوا قرار می گیرد. مرزهای پورت داخلی با پشتیبان PML به شرایط شکافی نیاز دارد که در تنظیمات پورت یافت می شود. جهت پورت برای تعیین جهت داخل برای محاسبه پارامتر S مشخص شده است. از آنجایی که حالت های پراش مرتبه بالاتر در این مثال مورد توجه خاصی نیستند، ترکیب پورت شکاف نوع پشتیبان دامنه و PML به جای افزودن یک پورت مرتبه پراش برای هر مرتبه پراش و پلاریزاسیون استفاده می شود.
شرایط مرزی دوره ای به مش های سطحی یکسان در مرزهای زوجی نیاز دارد. با استفاده از عملیات Copy Face از یک مرز به مرز دیگر می توان یک شبکه سطحی یکسان ایجاد کرد.
نتایج و بحث
شکل 3 هنجار میدان الکتریکی و جریان توان را در حالتی نشان می دهد که زاویه تابش ارتفاع 30 درجه و زاویه آزیموت صفر باشد. شدت موج روشنایی در نزدیکی نوک جاذب قوی است. به سمت قاعده هرم کاهش می یابد، جایی که در نهایت بسیار ضعیف است.
پارامتر S برای امواج فرودی قطبی شده محور y در شکل 4 رسم شده است . نمودار به صورت کمی نشان می دهد که جاذب برای طیفی از زوایای ارتفاع کمتر از 40 درجه عملکرد خوبی دارد.
شکل 3: جریان توان و نمودار چند برش پیش فرض هنجار میدان الکتریکی برای حالتی که زاویه تابش ارتفاع 30 درجه و زاویه زاویه صفر باشد.
شکل 4: پارامتر S به عنوان تابعی از زاویه برخورد رسم شده است.
مسیر کتابخانه برنامه: RF_Module/EMI_EMC_Applications/pyramidal_absorber
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، دامنه فرکانس (emw) 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 . |
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 ، 5[GHz] را تایپ 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 . |
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 |
تتا | 0 [درجه] | 0 راد | زاویه ارتفاع |
هندسه 1
بلوک 1 (blk1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Block کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Block ، قسمت Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width عدد 50 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت Depth text عدد 50 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن ارتفاع ، 280 را تایپ کنید . |
6 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن x ، -25 را تایپ کنید . |
7 | در قسمت متن y ، -25 را تایپ کنید . |
8 | در قسمت متن z ، -90 را تایپ کنید . |
9 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
10 |  روی دکمه Wireframe Rendering در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
بلوک 2 (blk2)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Block کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Block ، قسمت Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width عدد 50 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت Depth text عدد 50 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن ارتفاع ، 180 را تایپ کنید . |
6 | قسمت Position را پیدا کنید . از لیست پایه ، مرکز را انتخاب کنید . |
بلوک 3 (blk3)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Block کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Block ، قسمت Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width عدد 50 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت Depth text عدد 50 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن ارتفاع ، 25 را تایپ کنید . |
6 | قسمت Position را پیدا کنید . از لیست پایه ، مرکز را انتخاب کنید . |
7 | در قسمت متن z ، -77.5 را تایپ کنید . |
هرم 1 (pyr1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  More Primitives کلیک کنید و Pyramid را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Pyramid ، بخش Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متنی Base length 1 عدد 50 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متنی Base length 2 عدد 50 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن ارتفاع ، 120 را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن نسبت ، 0 را تایپ کنید . |
7 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن z ، -65 را تایپ کنید . |
8 |  روی Build All Objects کلیک کنید . |
هندسه تمام شده باید شبیه این باشد.
فیزیک را بر اساس جهت انتشار و قطبش میدان E تنظیم کنید. یک موج قطبی شده TE را که معادل قطبش s و قطبش عمود است فرض کنید. E x و E z صفر هستند در حالی که E y غالب است.
امواج الکترومغناطیسی، دامنه فرکانس (EMW)
شرایط دوره ای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی امواج الکترومغناطیسی ، دامنه فرکانس (emw) کلیک راست کرده و Periodic Condition را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 1، 4، 18 و 19 را انتخاب کنید.  |
3 | در پنجره تنظیمات برای وضعیت تناوبی ، قسمت تنظیمات تناوبی را پیدا کنید . |
4 | از لیست Type of periodicity ، Floquet periodicity را انتخاب کنید . |
5 | از بردار k برای لیست تناوب Floquet ، از پورت دوره ای را انتخاب کنید . |
شرایط دوره ای 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Periodic Condition را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 9 و 20 را انتخاب کنید.  |
3 | در پنجره تنظیمات برای وضعیت تناوبی ، قسمت تنظیمات تناوبی را پیدا کنید . |
4 | از لیست Type of periodicity ، Floquet periodicity را انتخاب کنید . |
5 | از بردار k برای لیست تناوب Floquet ، از پورت دوره ای را انتخاب کنید . |
شرایط دوره ای 3
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Periodic Condition را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 2، 5، 13 و 14 را انتخاب کنید.  |
3 | در پنجره تنظیمات برای وضعیت تناوبی ، قسمت تنظیمات تناوبی را پیدا کنید . |
4 | از لیست Type of periodicity ، Floquet periodicity را انتخاب کنید . |
5 | از بردار k برای لیست تناوب Floquet ، از پورت دوره ای را انتخاب کنید . |
شرایط دوره ای 4
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Periodic Condition را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 10 و 16 را انتخاب کنید.  |
3 | در پنجره تنظیمات برای وضعیت تناوبی ، قسمت تنظیمات تناوبی را پیدا کنید . |
4 | از لیست Type of periodicity ، Floquet periodicity را انتخاب کنید . |
5 | از بردار k برای لیست تناوب Floquet ، از پورت دوره ای را انتخاب کنید . |
پورت 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Port را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 11 را انتخاب کنید.  |
3 | در پنجره تنظیمات پورت ، قسمت ویژگی های پورت را پیدا کنید . |
4 | از لیست نوع پورت ، دوره ای را انتخاب کنید . |
برای پورت اول، تحریک موج به طور پیش فرض روشن است .
5 | تیک گزینه Activate slit condition on interior port را انتخاب کنید . |
6 | از لیست نوع شکاف ، Domain-backed را انتخاب کنید . |
7 | روی Toggle Power Flow Direction کلیک کنید . |
8 | قسمت تنظیمات حالت پورت را پیدا کنید . بردار E 0 را به صورت مشخص کنید |
0 | ایکس |
1 | y |
0 | z |
9 | در قسمت متن α 1 ، theta را تایپ کنید . |
حداکثر فرکانس در پنجره تنظیمات تنها زمانی استفاده می‌شود که دکمه Compute Diffraction Order برای ایجاد ویژگی‌های Diffraction Order که حالت مرتبه بالاتر را به صورت جداگانه مدیریت می‌کنند، کلیک شود. در این مدل، PML تمام حالت های مرتبه بالاتر را جذب می کند، بنابراین این تنظیم بی اثر است.
شرایط مرزی پراکندگی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Scattering Boundary Condition را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 12 را انتخاب کنید. |
تعاریف
کاملاً منطبق بر لایه 1 (pml1)
1 | در نوار ابزار تعاریف ، روی لایه  کاملاً منطبق کلیک کنید . |
2 | فقط دامنه 4 را انتخاب کنید.  |
3 | در پنجره تنظیمات برای لایه کاملاً منطبق ، بخش Scaling را پیدا کنید . |
4 | از لیست Typical wavele from ، User defined را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متنی با طول موج معمولی ، 2*pi/abs(emw.k0*cos(theta)) را تایپ کنید . |
از آنجایی که مدل برای طیفی از زوایای برخورد حل شده است، طول موج در داخل PML ها روی 2 π /|k0cos( θ )| تنظیم می شود که طول موج مولفه عادی بردار موج است.
مواد
مواد 1 (mat1)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Materials راست کلیک کرده و Blank Material را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Material ، قسمت Material Contents را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
مجوز نسبی | epsilonr_iso ; epsilonrii = epsilonr_iso، epsilonrij = 0 | 1 | 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 |
مواد 2 (mat2)
1 | روی Materials کلیک راست کرده و Blank Material را انتخاب کنید . |
2 | فقط دامنه های 1 و 3 را انتخاب کنید.  |
3 | در پنجره تنظیمات برای Material ، قسمت Material Contents را پیدا کنید . |
4 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
مجوز نسبی | epsilonr_iso ; epsilonrii = epsilonr_iso، epsilonrij = 0 | 1 | 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 | 0.5 | S/m | پایه ای |
مش 1
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Mesh 1 کلیک راست کرده و Build All را انتخاب کنید .
تعاریف
پنهان کردن برای فیزیک 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی View 1 کلیک راست کرده و Hide for Physics را انتخاب کنید . |
2 | فقط دامنه 4 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای پنهان کردن فیزیک ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
4 | از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
5 | فقط مرزهای 4، 5، 9 و 10 را انتخاب کنید. |
مش 1
مطالعه 1
جارو پارامتریک
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  پارامتر Sweep کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جابجایی پارامتری ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 |  روی افزودن کلیک کنید . |
4 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام پارامتر | لیست مقادیر پارامتر | واحد پارامتر |
تتا (زاویه ارتفاع) | محدوده (0 [درجه]، 5 [درجه]، 85 [درجه]) | راد |
5 | در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
مطالعه 1/راه حل 1 (sol1)
در پنجره Model Builder ، گره Results>Datasets را گسترش دهید ، سپس روی Study 1/Solution 1 (sol1) کلیک کنید .
انتخاب
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی  ویژگی ها کلیک کنید و Selection را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
3 | از لیست سطح نهاد هندسی ، دامنه را انتخاب کنید . |
4 | فقط دامنه های 1-3 را انتخاب کنید. |
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 Z-planes را پیدا کنید . در قسمت متن Planes عدد 0 را تایپ کنید . |
فلش جلد 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Electric Field (emw) کلیک راست کرده و Arrow Volume را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای حجم پیکان ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Electromagnetic Waves، Frequency Domain>Energy and power>emw.Poavx،…،emw.Poavz – جریان توان ، میانگین زمانی را انتخاب کنید . |
3 | قسمت تعیین موقعیت پیکان را پیدا کنید . زیربخش X grid points را پیدا کنید . در قسمت متنی Points ، 21 را تایپ کنید . |
4 | زیربخش نقاط شبکه Y را پیدا کنید . در قسمت متنی Points ، 1 را تایپ کنید . |
5 | زیربخش نقاط شبکه Z را پیدا کنید . در قسمت متنی Points ، 21 را تایپ کنید . |
6 | در نوار ابزار Electric Field (emw) ، روی  Plot کلیک کنید . |
میدان الکتریکی (emw)
1 | در پنجره Model Builder ، روی Electric Field (emw) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 3D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست مقدار پارامتر (تتا (راد)) ، 0.5236 را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار Electric Field (emw) ، روی  Plot کلیک کنید . |
5 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
برای مقایسه نتایج ترسیم شده به شکل 3 مراجعه کنید .
جهانی 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره S-parameter (emw) را گسترش دهید ، سپس روی Global 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Electromagnetic Waves، Frequency Domain>Ports>emw.S11dB – S11 را انتخاب کنید . |
3 | در نوار ابزار S-parameter (emw) ، روی  Plot کلیک کنید . |
پارامترهای S محاسبه شده در درگاه ورودی به عنوان تابعی از زاویه برخورد نشان داده شده است. با آنچه در شکل 4 نشان داده شده است مقایسه کنید .
گروه طرح سه بعدی 5
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 3D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Settings for 3D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست مقدار پارامتر (تتا (راد)) ، 0.5236 را انتخاب کنید . |
ایزورفیس 1
1 | روی 3D Plot Group 5 کلیک راست کرده و Isosurface را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Isosurface ، بخش Levels را پیدا کنید . |
3 | در فیلد متنی مجموع سطوح ، 20 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>HeatCameraLight را در درخت انتخاب کنید. |
6 | روی OK کلیک کنید . |
فیلتر 1
1 | روی Isosurface 1 کلیک راست کرده و Filter را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای فیلتر ، قسمت انتخاب عنصر را پیدا کنید . |
3 | در قسمت عبارت Logical for inclusion متن، y>0 را تایپ کنید . |
4 | در نوار ابزار 3D Plot Group 5 ، روی  Plot کلیک کنید . |
