Difference between revisions of "Csőtápvonal"

Latest revision as of 19:57, 28 January 2020

Négyszög keresztmetszetű csőtápvonal (Rectangular waveguide)

Négyszög keresztmetszetű csőtápvonal.	Az elektromos térerősség terjedése a csőtápvonalban. [Kattints a képre az animáció megtekintéséhez.]

Oktató Marcsa Dániel (óraadó) Előadás: - Fogadóóra: egyeztetés alapján	További oktatók: - Fogadóóra: -.

A hallgató megismerje a végeselem-módszer főbb lépéseit, mint a modell előkészítése (geometria elkészítése vagy importálása), anyagparaméterek, peremfeltételek és gerjesztés megadása egy négyszög keresztmetszetű csőtápvonal esetében. A szimuláció beállításai és eredményei elősegítsék a más tárgyakból tanult elméleti ismeretek elmélyülését.

A feladat megoldása során azzal nem foglalkozunk, milyen módon lehet a csőtápvonalba jelet juttatni.

A feladat megoldásához szükséges ismeretek

A végeselem-módszer lépései;
A Maxwell-egyenletek teljes rendszerének ismerete (hullámegyenlet ismerete);
Csőtápvonal működésének ismeret.

A vizsgált csőtápvonal

A feladat geometriai méretei: [math]a = 2\text{cm}[/math] (széles oldal); [math]b = 1\text{cm}[/math] (keskeny oldal); [math]L = 16\text{cm}; th = 1\text{mm}[/math] (csőtápvonal falvastagsága).

A geometria elkészítését és a beállításokat a feladathoz készült YouTube videóban részletezem.

A feladat megoldásához az elektromos térerősségre felírt Helmholtz-egyenletet^[1] oldjuk meg

[math] \Delta\vec{E} + k^2\vec{E} = 0 [/math]

ahol [math]k = \omega\sqrt{\mu\varepsilon}[/math] a terjedési együttható és [math]\Delta[/math] a Laplace-operátor.

Azonban egy csőtápvonal szimulációja előtt érdemes meghatározni a vágási frekvenciát (vagy határfrekvenciát, ami alatt nincs hullámterjedés a csőtápvonalban). A vágási frekvencia a következő összefüggéssel határozható meg^[1]^[2]:

[math] f_{h,mn} = \frac{1}{2\sqrt{\mu\varepsilon}}\sqrt{\left(\frac{m}{a}\right)^2 + \left(\frac{n}{b}\right)^2}[/math],

ahol [math]\mu[/math] és [math]\varepsilon[/math] a csőtápvonalat kitöltő dielektrikum permeabilitása és permittivitása.

A szimulációval kapott eredmények

$A bemeneti reflexió ([math]\text{S}_{11}[/math] paraméter) és az előre irányú átviteli tényező ([math]\text{S}_{21}[/math] paraméter) a frekvencia függvényében.$

A bemeneti reflexió ([math]\text{S}_{11}[/math] paraméter) és az előre irányú átviteli tényező ([math]\text{S}_{21}[/math] paraméter) a frekvencia függvényében.

A levegővel kitöltött csőtápvonalnál [math]\text{TE}_{10}[/math] (ejtsd: té e egy nulla) módus esetében a vágási frekvencia

[math] f_{h,10} = \frac{1}{2\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}}\sqrt{\left(\frac{1}{0,02}\right)^2 + \left(\frac{0}{0,01}\right)^2} = \frac{1}{2\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}\cdot0,02}= 7,4926\text{GHz} \approx 7,5\text{GHz}[/math].

A bemeneti reflexió és az előre irányú átviteli tényező frekvenciafüggvényén (jobb oldali ábra) jól látható, hogy a szimulációval visszakaptuk az előzőleg analitikusan kiszámolt vágási frekvenciát. A vágási frekvenciát követően az átvitel eléri a maximumát.

Emellett a lenti ábrákon látható az elektromos (baloldali ábra - E field) és mágneses (jobboldali ábra - H field) térerősség a négyszögletes csőtápvonal keresztmetszetében [math]\text{TE}_{10}[/math] módusnál. Ezekhez tartozik a két animáció, amelyből látható, hogy az elektromos térerősségnek csak a terjedési irányra merőleges komponense van ([math] E_z = 0 [/math]), vagyis itt tényleg egy transzverzális elektromos ([math]\text{TE}[/math]) térről van szó.


Az elektromos térerősség vektorok a bemeneti portnál [math]\text{TE}_{10}[/math] módus esetében.	A mágneses térerősség vektorok a bemeneti portnál [math]\text{TE}_{10}[/math] módus esetében.


Az elektromos térerősség vektorok a csőtápvonalban [math]\text{TE}_{10}[/math] módus esetében.[Kattints a képre az animáció megtekintéséhez.]	A mágneses térerősség vektorok a csőtápvonalban [math]\text{TE}_{10}[/math] módus esetében.[Kattints a képre az animáció megtekintéséhez.]

References

↑ ^1.0 ^1.1 Istvánffy E.: Tápvonalak, antennák és hullámterjedés, Műegyetemi Kiadó, 1997.
↑ Kolos T., Standeisky I.: Mikrohullámú technika I., Tankönyvkiadó, 1980.

[Istvanffy-1] 1.0 ^1.1 Istvánffy E.: Tápvonalak, antennák és hullámterjedés, Műegyetemi Kiadó, 1997.

[MikroTech1-2] Kolos T., Standeisky I.: Mikrohullámú technika I., Tankönyvkiadó, 1980.

[1]

[2]

@@ Line 4: / Line 4: @@
 <font color='blue' size='+2'>Négyszög keresztmetszetű csőtápvonal (Rectangular waveguide)</font>
 |-
-| align=center, style="width: 900px;" |
+| style="width: 100px;" align=center |
-[[File:Waveguides real.jpeg|350px]]
+[[File:Waveguides real.jpeg|300px]]
 | align=center |
-[[File:Waveguide EField TE10.gif|650px]]
+[[File:Waveguide EField TE10.gif|550px]]
 |-
 |align=center | <span style="font-size:88%;">'''Négyszög keresztmetszetű csőtápvonal.'''</span>
-|align=center | <span style="font-size:88%;">'''A mágneses térerősség a kábel körül és a karosszériában.'''</span> <span style="font-size:80%; color:blue;">[Kattints a képre az animáció megtekintéséhez.]</span>
+|align=center | <span style="font-size:88%;">'''Az elektromos térerősség terjedése a csőtápvonalban.'''</span> <span style="font-size:80%; color:blue;">[Kattints a képre az animáció megtekintéséhez.]</span>
 |- valign=top
 | width=50% |
 ''' '''
+|-
+| style="text-align: left; width: 36%;" |
+'''Oktató'''
+* [http://wiki.maxwell.sze.hu/index.php/Marcsa Marcsa Dániel] (óraadó)
+* Előadás: -
+* Fogadóóra: egyeztetés alapján
+| style="text-align: left; width: 36%;" |
+'''További oktatók:'''
+* -
+* Fogadóóra: -.
 |}
 === A feladat célja ===
-[[File:Lecture4 ProblemGeometry.png|510px|thumb|right|alt=A feladat geometriája a sárga kábellel. | A feladat geometriája a sárga kábellel.]]
+[[File:Waveguide Geometry.png|360px|thumb|right|alt=A feladat geometriája. | A feladat geometriája.]]
+[[File:TE10 WallCurrent.png|360px|thumb|right|alt=A kialakuló faláramok a négyszögletes hullámvezetőben. | A kialakuló faláramok a négyszögletes hullámvezetőben.]]
-A hallgató megismerje a végeselem-módszer főbb lépéseit, mint a modell előkészítése (geometria elkészítése vagy importálása), anyagparaméterek, peremfeltételek és gerjesztés megadása egy összetett feladat esetében. A példa betekintést ad a kábel vagy kábelkorbács elektromágneses vizsgálatába egy járműipari példán keresztül.
+A hallgató megismerje a végeselem-módszer főbb lépéseit, mint a modell előkészítése (geometria elkészítése vagy importálása), anyagparaméterek, peremfeltételek és gerjesztés megadása egy négyszög keresztmetszetű csőtápvonal esetében. A szimuláció beállításai és eredményei elősegítsék a más tárgyakból tanult elméleti ismeretek elmélyülését.
+A feladat megoldása során azzal nem foglalkozunk, milyen módon lehet a csőtápvonalba jelet juttatni.
 === A feladat megoldásához szükséges ismeretek ===
 * A végeselem-módszer lépései;
 * A Maxwell-egyenletek teljes rendszerének ismerete (hullámegyenlet ismerete);
-* Lineáris hálózatok alapjainak ismerete.
+* [https://en.wikipedia.org/wiki/Waveguide Csőtápvonal] működésének ismeret.
-=== A feladat megoldásának lépései ===
+=== A vizsgált csőtápvonal ===
-Az ANSYS Electronics Desktop elindítását követően, nyissa meg a '''CableHarness_Example.aedt''' fájlt a ''File <math> \to </math> Open'' menü segítségével. <br/>
+A feladat geometriai méretei: <math>a = 2\text{cm}</math> (széles oldal); <math>b = 1\text{cm}</math> (keskeny oldal); <math>L = 16\text{cm}; th = 1\text{mm}</math> (csőtápvonal falvastagsága).
-Az [https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-q3d-extractor ANSYS 2D Extractor], [https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-hfss ANSYS HFSS] és [https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-electronics-desktop ANSYS Circuit] használatához a ''Help'' menü és a ''YouTube''-on fellelhető videók sok segítséget nyújtanak.
-== A feladat definiálása és az eredmények ==
+A geometria elkészítését és a beállításokat a feladathoz készült YouTube videóban részletezem.
-[[File:Cable Evectors.gif|360px|thumb|right|alt=Az elektromos térerősség vektorok a dielektrikumban ''ANSYS 2D Extractor'' környezetben. |Az elektromos térerősség vektorok a dielektrikumban ''ANSYS 2D Extractor'' környezetben. <span style="color:blue">[Kattints a képre az animáció megtekintéséhez.]</span>.]]
-[[File:CableHarness Circuit.png|360px|thumb|right|alt=A kábelt tápláló hálózat ''ANSYS Circuit'' szoftverben. | A kábelt tápláló hálózat ''ANSYS Circuit'' szoftverben.]]
-Ebben az esetben az egész feladat beállításai már előre definiáltak. Ennek oka, hogy elkerüljük a hosszadalmas beállítást, mert a példa fő célja látni egy nagyfrekvenciás kábel hatását a jármű karosszériájára. Ennek a példának köszönhetően, a hallgatók látni fogják, milyen fontos egy kábel vagy kábelkorbács megfelelő elhelyezése a járművön belül. Itt csak a szimuláció felépítését tekintjük át.
-A feladat három részre bontható:
+A feladat megoldásához az elektromos térerősségre felírt Helmholtz-egyenletet<ref name="Istvanffy"> Istvánffy E.: ''Tápvonalak, antennák és hullámterjedés'', Műegyetemi Kiadó, 1997. </ref> oldjuk meg
-* A kábel vizsgálata (''ANSYS 2D Extractor'');
+::<math> \Delta\vec{E} + k^2\vec{E} = 0 </math>
-* A kábel áramkörének összeállítása (''ANSYS Circuit'');
+ahol <math>k = \omega\sqrt{\mu\varepsilon}</math> a terjedési együttható és <math>\Delta</math> a [https://hu.wikipedia.org/wiki/Laplace-oper%C3%A1tor Laplace-operátor].
-* és a karosszéria rádiófrekvenciás vizsgálata a benne elhelyezett kábellel együtt (''ANSYS HFSS'').
-A szimuláció elindítása előtt és a futtatás közben, röviden átnézzük a feladat beállításait.
+Azonban egy csőtápvonal szimulációja előtt érdemes meghatározni a vágási frekvenciát (vagy határfrekvenciát, ami alatt nincs hullámterjedés a csőtápvonalban). A vágási frekvencia a következő összefüggéssel határozható meg<ref name="Istvanffy"></ref><ref name="MikroTech1"> Kolos T., Standeisky I.: ''Mikrohullámú technika I.'', Tankönyvkiadó, 1980. </ref>:
+::<math> f_{h,mn} = \frac{1}{2\sqrt{\mu\varepsilon}}\sqrt{\left(\frac{m}{a}\right)^2 + \left(\frac{n}{b}\right)^2}</math>,
+ahol <math>\mu</math> és <math>\varepsilon</math> a csőtápvonalat kitöltő dielektrikum permeabilitása és permittivitása.
-Azt fontos megjegyezni, hogy az első két példánál adaptív hálófinomítást alkalmaztunk. Azonban az időfüggő feladatoknál ez nem lehetséges, ezért itt is a hálózási műveletekkel kell megfelelő felbontást létrehozni a kellő pontosság eléréséhez.
+== A szimulációval kapott eredmények ==
+[[File:S11S21 Parameter.png|500px|thumb|right|alt=A bemeneti reflexió (<math>\text{S}_{11}</math> paraméter) és az előre irányú átviteli tényező (<math>\text{S}_{21}</math> paraméter) a frekvencia függvényében. | A bemeneti reflexió (<math>\text{S}_{11}</math> paraméter) és az előre irányú átviteli tényező (<math>\text{S}_{21}</math> paraméter) a frekvencia függvényében.]]
-=== A kábel parazita jelenségeinek vizsgálata (''ANSYS 2D Extractor'') ===
+A levegővel kitöltött csőtápvonalnál <math>\text{TE}_{10}</math> (ejtsd: ''té e egy nulla'') módus esetében a vágási frekvencia
+::<math> f_{h,10} = \frac{1}{2\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}}\sqrt{\left(\frac{1}{0,02}\right)^2 + \left(\frac{0}{0,01}\right)^2} = \frac{1}{2\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}\cdot0,02}= 7,4926\text{GHz} \approx 7,5\text{GHz}</math>.
-ANSYS 2D Extractor segítségével egy harmonikus analízist futtatunk le (''ANSYS Q3D Extractor való a 3D-s feladatokra''), hogy meghatározzuk az RLGC paramétereit (''R'' - ellenállás, ''L'' - induktivitás, ''G'' - átvezetés, ''C'' - kapacitás) ennek a csatolt rendszernek.
+A bemeneti reflexió és az előre irányú átviteli tényező frekvenciafüggvényén (jobb oldali ábra) jól látható, hogy a szimulációval visszakaptuk az előzőleg analitikusan kiszámolt vágási frekvenciát. A vágási frekvenciát követően az átvitel eléri a maximumát.
-Ahogy az ábrán látható, a kábel három érből áll, egy pozitív, egy negatív érből és a földelésből. Az egyes erek szigetelve vannak egymástól.
+Emellett a lenti ábrákon látható az elektromos (baloldali ábra - E field) és mágneses (jobboldali ábra - H field) térerősség a négyszögletes csőtápvonal keresztmetszetében <math>\text{TE}_{10}</math> módusnál. Ezekhez tartozik a két animáció, amelyből látható, hogy az elektromos térerősségnek csak a terjedési irányra merőleges komponense van (<math> E_z = 0 </math>), vagyis itt tényleg egy transzverzális elektromos (<math>\text{TE}</math>) térről van szó.
-A kábelen haladó jel frekvenciája 300 MHz, a szimulációval kapott eredményeket pedig a következő táblázatok foglalják össze.
+{| width=100%
-{| width=60%
 |-
 | align=center |
-{| class = "wikitable" style = "text-align: center; width: 300px; height: 100px;"
+[[File:TE10 Efield.png|550px]]
-|+ Az érpár átvezetése.
-! Vezetés [<math>\mu\text{S}</math>]
-! Negatív
-! Pozitív
-|-
-! Negatív
-| 48.46 || -24.23
-|-
-! Pozitív
-| -24.23
-| 48.46
-|}
 | align=center |
-{| class = "wikitable" style = "text-align: center; width: 300px; height: 100px;"
+[[File:TE10 Hfield.png|550px]]
-|+ Az érpár kapacitása.
-! Kapacitás [<math>\mu\text{F}</math>]
-! Negatív
-! Pozitív
-|-
-! Negatív
-| 117.269 || -58.634
 |-
-! Pozitív
+|align=center | <span style="font-size:88%;">'''Az elektromos térerősség vektorok a bemeneti portnál <math>\text{TE}_{10}</math> módus esetében.'''</span>
-| -58.634
+|align=center | <span style="font-size:88%;">'''A mágneses térerősség vektorok a bemeneti portnál <math>\text{TE}_{10}</math> módus esetében.'''</span>
-| 117.268
 |}
+{| width=100%
 |-
 | align=center |
-{| class = "wikitable" style = "text-align: center; width: 300px; height: 100px;"
+[[File:TE10 Efield Vec Anim.gif|500px]]
-|+ Az érpár ellenállása.
-! Ellenállás [<math>\Omega</math>]
-! Negatív
-! Pozitív
-|-
-! Negatív
-| 1.912 || 0.941
-|-
-! Pozitív
-| 0.941
-| 1.895
-|}
 | align=center |
-{| class = "wikitable" style = "text-align: center; width: 300px; height: 100px;"
+[[File:TE10 Hfield Vec Anim.gif|500px]]
-|+ Az érpár induktivitása.
-! Induktivitás [<math>\mu\text{H}</math>]
-! Negatív
-! Pozitív
-|-
-! Negatív
-| 0.134 || 0.067
 |-
-! Pozitív
+|align=center | <span style="font-size:88%;">'''Az elektromos térerősség vektorok a csőtápvonalban <math>\text{TE}_{10}</math> módus esetében.'''</span><span style="font-size:80%; color:blue;">[Kattints a képre az animáció megtekintéséhez.]</span>
-| 0.067
+|align=center | <span style="font-size:88%;">'''A mágneses térerősség vektorok a csőtápvonalban <math>\text{TE}_{10}</math> módus esetében.'''</span><span style="font-size:80%; color:blue;">[Kattints a képre az animáció megtekintéséhez.]</span>
-| 0.134
-|}
 |}
-=== A kábelt meghajtó áramkör (''ANSYS Circuit'') ===
-[[File:CableHarsness EField.gif|510px|thumb|right|alt=Az elektromos térerősség a vezetékben és a jármű karosszériájában ''ANSYS HFSS'' szoftverben. | Az elektromos térerősség a vezetékben és a jármű karosszériájában ''ANSYS HFSS'' szoftverben. <span style="color:blue">[Kattints a képre az animáció megtekintéséhez.]</span>]]
-A földelést, ahogy a neve is mutatja földeljük, míg a másik két eret 50<math>\Omega</math> impedanciával zárjuk le. Az ''ANSYS Circuit'' a kábel leírására a 2D Extractor szimulációból kapott parazita jellemzőket használja. Majd az áramköri szimulációval kapott eredményeket használja az ''ANSYS HFSS'' a szimuláció gerjesztéséhez.
-=== A karosszéria a kábellel (''ANSYS HFSS'') ===
-ANSYS HFSS (''High Frequency Structure Simulator'') egy háromdimenziós elektromágneses szimulációs szoftver, a legkülönfélébb rádiófrekvenciás eszközök (antennák, radarrendszerek, kommunikációs rendszerekben található nagysebességű elektronikák, vezetést segítő rendszerek (ADAS), műholdak, integrált áramkörök és IoT eszközök) szimulációjára alkalmas.
-A vizsgált példa egy nyitott feladatnak tekinthető, ezért a sugárzási permfeltételt (''Radiation boundary condition'') használjuk a külső felületeken. Majd erre az elrendezésre oldjuk meg a hullámegyenletet. A feladaton belül a jármű karosszériáját véges vezetőképességgel rendelkező felületként vesszük figyelembe és a gerjesztés a kábelből származó beeső tér.
-A szimuláció eredményeként a karosszériában és a kábelen látható az elektromos és a mágneses térerősség. Mindkettő mennyiség jól mutatja a nagyfrekvenciás kábel hatását a járműben.
 == References ==
 {{reflist}}

Difference between revisions of "Csőtápvonal"

Latest revision as of 19:57, 28 January 2020

Contents

A feladat célja

A feladat megoldásához szükséges ismeretek

A vizsgált csőtápvonal

A szimulációval kapott eredmények

References

Navigation menu

Personal tools

Namespaces

Variants

Views

More

Search

Navigation

Tools