Obsah

Pracoviště pro modelování elektromagnetického pole

O projektu

Často jsou elektromagnetické struktury natolik prostorově složité, že analytické řešení není možné. Pak je nutné přistoupit k řešení numerickému. Rozvojem softwarových produktů se podařilo vytvořit tzv. softwarové simulátory, které nejenom že počítají konkrétní hodnoty polí v prostoru a čase, ale mimoto mají atraktivní grafický výstup. Ten umožňuje podstatně názornější představu o fyzikální podstatě jednotlivých jevů než parametrické studie analytických řešení.

Stránky budou průběžně doplňovány o nová témata, stará budou dále propracována. Připomínky a žádosti směrujte na Ing. Pavla Hazdru Ph.D. (kontakt uveden na konci stránky).

Hardwarové vybavení

CPU: 2x Intel Pentium Xeon 2.0 GHz (celkem 8 jader)
Deska:
RAM: 8GB
HDD: 1.5TB
OS: Windows Vista 64bit SP1 ENG
Fyzické umístění: FEL ČVUT, m.631/B2

Software (CST)

Další informace o programu CST lze najít na domovských stránkách vč. několika ukázek v sekci Showroom.

Vzdálený přístup (RADMIN)

Remote Administrator (Radmin) je profesionálně navržené řešení pro dálkové řízení a přístup na počítače s operačním systémem Windows. Program je relativně malý, rychlý a spolehlivý. Umožňuje monitorování a práci na vzdáleném počítači (tj. serveru s CST) tím, že dává k dispozici vzdálenou obrazovku. Klient může plně využívat klávesnice i myši. Vzdálená obrazovka lze zobrazit v okně, ale i jako fullscreen. Vlastní přenos dat probíhá přes TCP/IP protokol. Během připojení jsou pomocí Diffie-Hellmanovy metody ověřeny 2048bitů dlouhé klíče. Vlastní komunikace je potom šifrována 256bit AES šifrováním. Současnými technickými prostředky je tato šifra prakticky neprolomitelná. Více zde.

Přístupové informace ke stroji (IP,login) jsou sdělovány individuálně.

Aktuální infromace ke stavu stroje a vytíženosti

  • OK
  • Aktuální uživatelé: M. Čapek

Základní teorie numerických simulací

Simulace a vývoj antén a mikrovlnných prvků je v součastnosti bez numerických metod prakticky nemyslitelný. S prudkým nárůstem výkonu počítačů v 80. a 90. letech se rozvíjí i nástroje, umožňující názorně nahlédnout fyzikální principy jednotlivých struktur. Existuje mnoho různých přístupů využitelných k simulaci elektromagnetického pole, vždy je však vhodné mít na paměti obecně platné zásady řešení.

Obecně platí, že složitější metoda dává přesnější výsledky, ovšem za cenu delšího času výpočtu a větších nároků na operační pamět (a nejen na ni). Proto je třeba nalézt optimální poměr mezi navzájem ambivalentními požadavky přesnosti a rychlosti. Významným požadavkem je též vstřícnost programu směřem k uživateli. Nesmíme zapomínat ani na to, že ne každá metoda je vhodná k simulaci vybraného problému.

Jednotlivé přístupy lze v prvním přiblížení rozdělit na tzv. analytické a numerické. Díky četným zjednodušením jsou analytické metody rychlé a jednoduché na implementaci. Prakticky nejsou využívány pro komerční software. Oproti tomu numerické metody pracují bez počátečních zjednodušení a často nejsou omezeny tvarem ani složením struktury. Poskytují přesnější výsledky. Pro jejich využívání je nutný kvalitní software i - jak již bylo řečeno - kvalitní hardware. Mezi nejznámější patří metoda konečných prvků (FEM), momentová metoda (MoM) a metoda konečných diferencí (FDTD). CST-MWS využívá metody konečných integrálů (FIT). Více zde.

Uvedené metody lze dále dělit podle domény, ve které se hledá řešení, a to na časovou a frekvenční. Prvně jmenované umožňují nalézt řešení pro libovolný časový přůběh. Druhý typ strukturu analyzuje pro soubor diskrétních transformací. Nutným průběhem je tedy harmonický ustálený stav. Mezi oběma doménami lze přecházet pomoci (diskrétní) Fourierovy transformace.

Řešené příklady

Níže uvedené prvky a problémy byly simulovány v programu CST-MWS a mají sloužit jako vzory pro další studium. Je kladen důraz na popis funkce a vhled do problému. Výběrem se snažíme pokrýt základy teorie pole, mikrovlnné techniky a antén. Anglický ekvivalent respektuje nejfrekventovanější výraz v cizojazyčné literatuře. Ve sloupci Předměty jsou uvedeny ty povinné předměty, v kterých je dané téma probíráno. Na závěr (Reference) jsou uvedeny knihy, které lze doporučit pro další studium vybrané problematiky.

Základní úlohy teorie elektromagnetického pole

Příklad Předměty Reference
Elektrostatické pole
Bodový náboj X(D)17TEP [1],[3]
Nabitá koule X(D)17TEP [1],[3]
Nabitá koule s dielektrickým pláštěm X(D)17TEP [1],[3]
Nabitá přímka X(D)17TEP [1],[3]
Válcový vodič s konečným průměrem X(D)17TEP [1],[3]
nfo_1a_nabita_rovina.jpg Nabitá rovina X(D)17TEP [1],[3]
Dvě rovnoběžné roviny opačně nabité X(D)17TEP [1],[3]
Deskový kondenzátor X(D)17TEP [1],[3]
Deskový kondenzátor se složeným dielektrikem X(D)17TEP [1],[3]
nfo_1a_valcovy_kondenzator.jpg Válcový kondenzátor X(D)17TEP [1],[3]
Kulový kondenzátor se složeným dielektrikem X(D)17TEP [1],[3]
Dvouvodičové vedení X(D)17TEP [1],[2],[3]
Válcový vodič nad zemní rovinnou X(D)17TEP [1],[3]
Stacionární proudové pole
Proudová hustota mezi válci X(D)17TEP [1],[3]
Odpor příčně rozděleného válce X(D)17TEP [1],[3]
Dvě uzemňovací koule hluboko v zemi X(D)17TEP [1],[3]
Dvě uzemňovací koule hluboko v zemi blízko sebe X(D)17TEP [1],[3]
Magnetostatické pole
Magnetické pole kolem přímky X(D)17TEP [1],[3]
Magnetické pole kolem masivního dlouhého vodiče X(D)17TEP [1],[3]
Magnetické pole na ose prstence X(D)17TEP [1],[3]
Magnetické pole uprostřed čtvercového závitu X(D)17TEP [1],[3]
Magnetické pole v koaxiálním kabelu X(D)17TEP [1],[3]
Magnetické pole na dvouvodičovém vedení X(D)17TEP [1],[3]
nfo_1c_mag_pole_v_solenoidu.jpg Magnetické pole v solenoidu X(D)17TEP [1],[3]
nfo_1c_mag_pole_dlouhy_vodic_ctvercovy_zavit.jpg Magnetické pole mezi dlouhým vodičem a čtvercovým závitem X(D)17TEP [1],[3]
Magnetické pole mezi čtvercovým závitem vloženým mimo dvouvodičové vedení X(D)17TEP [1],[3]
Magnetické pole mezi čtvercovým závitem a dvouvodičovým vedením X(D)17TEP [1],[3]
Magnetické pole pásového vodiče X(D)17TEP [1],[3]
nfo_1c_vodic_nad_refomag_rovinou.jpg Válcový vodič nad feromagnetickou rovinou X(D)17TEP [1],[3]
Prstenec nad feromagnetickou rovinou X(D)17TEP [1],[3]
Vlny a vedení
Rovinná vlna X(D)17TEP, X(D)17VVE [2],[3],[4]
Pomalá vlna X(D)17VVE [2],[3]
Kolmý odraz X(D)17VVE [2],[3]
Šikmý dopad vlny na kov X(D)17VVE [2],[3]
Antireflexní vrstvy X(D)17VVE [2],[3]
Čtvrtvlnná destička (Quarter-Wave Plate) X(D)17VVE, X(D)17MOB, X(D)17PME [3]
Čtvrtvlnný rezonátor (Quarter-Wave Resonator) X(D)17VVE, X(D)17MOB, X(D)17PME [3],[5]
Půlvlnná destička (Half-Wave Plate) X(D)17VVE, X(D)17MOB, X(D)17PME [3]
Půlvlnný rezonátor - otevřený (Half-Wave Resonator) X(D)17VVE, X(D)17MOB, X(D)17PME [3],[5]
Půlvlnný rezonátor - zkratovaný (Half-Wave Resonator) X(D)17VVE, X(D)17MOB, X(D)17PME [3],[5]
Kruhový závit (Příklad ES10) X(D)17VVE [3]
Nabitá deska (Příklad ES12) X(D)17VVE [3]
Elektrické namáhání mezi vodiči (Příklad ES70) X(D)17VVE [3]
Jeden závit protékaný proudem (Příklad MG6) X(D)17VVE [3]
Dva závity (Příklad MG8) X(D)17VVE [3]
Dlouhá tenká cívka ve vzduchu (Příklad MG13) X(D)17VVE [3]



Mikrovlnné obvody a vedení

Prvek Předměty Reference
Mikropásek - ohyb Microstrip X(D)17PME [5],[18]
Koaxiální vedení Coaxial Line X(D)17TEP, X(D)17PME [3],[5]
Vlnovod Waveguide X(D)17MOB [3],[7],[8]
Odrazy na vedení [5],[7]
Impedanční přizpůsobení Match [5],[7]
Otevřený konec vedení Open [2],[3]
Wilkinsonův dělič Wilkinson X(D)17PME [5],[18]
nfo_2_hybrid.jpg Příčkový hybridní člen Hybrid X(D)17PME [5],[2]
Magické T Magic Tee X(D)17MOB [7],[13]
SMA rezonátor SMA Resonator X(D)17AMO [5],[14]
nfo_2_planarni_filtr.jpg Planární filtr Planar Filter X(D)17PME [5]
Válcový rezonátor Cylindrical (Cavity) Resonator X(D)17PME, X(D)17AMO [3],[5],[7]



Antény

Prvek Předměty Reference
nfo_3_dipole.jpg Půlvlnný dipól Dipole Antenna X(D)17ANT, X(D)17NKA [3],[4],[9],[10],…
Dlouhý dipól Dipole Antenna X(D)17ANT, X(D)17NKA [4],[9],[10],…
nfo_3_biquad.jpg Biquad anténa Biquad Antenna X(D)17ANT, X(D)17NKA [4],[9],[10],…
Trychtýřová anténa Horn Antenna X(D)17ANT, X(D)17NKA [4],[9],[10],[13],…
Žebrovaný trychtýř Corrugated Horn Antenna X(D)17NKA [9],[10],[12]
nfo_3_spirala.jpg Spirálová anténa Spiral Antenna X(D)17ANT, X(D)17NKA [4],[10],[11]
Šroubovicová anténa Helix / Helical Antenna X(D)17ANT, X(D)17NKA [4],[9],[10],[11],[12]
nfo_3_yagi1.jpg Yagi anténa Yagi Antenna X(D)17ANT, X(D)17NKA [4],[9],[10],[11]
nfo_3_patch.jpg Patchová anténa Patch Antenna X(D)17ANT, X(D)17NKA [4],[9],[10],[11],[12]
Patchová anténa s kruhovou polarizací Patch Antenna X(D)17NKA [10],[12]
nfo_3_slot_antenna.jpg Štěrbinová anténa Slot Antenna X(D)17NKA [4],[10]
nfo_3_cassegrain.jpg Parabolická anténa (Cassegrainova) Cassegrain Reflector X(D)17ANT, X(D)17NKA [4],[10],[11]
nfo_3_offset_jabs_small.jpg Parabolická anténa (offsetová) Offset Reflector X(D)17ANT, X(D)17NKA [4],[9],[10],[11]
Sektorová anténa Sector Antenna X(D)17NKA [9]
"Plechovková" anténa Waveguide Antenna X(D)17NKA
nfo_3_koutak.jpg "Koutová" anténa X(D)17NKA



Literatura

  1. Novotný, K. Teorie elektromagnetického pole I. Skripta, ČVUT-FEL.
  2. Novotný, K., Škvor, Z., Mazánek, M., Pechač, P. Vlny a vedení - Přednášky. Skripta, ČVUT-FEL.
  3. Pankrác, V. Přednášky k předmětům X(D)17TEP a X(D)17VVE. Dostupné ZDE resp. ZDE.
  4. Mazánek, M., Pechač, P. Šíření elektromagnetických vln a antény. Skripta, ČVUT-FEL.
  5. Hoffmann, K. Planární mikrovlnné obvody. Skripta, ČVUT-FEL.
  6. Macháč, J., Novotný, K., Škvor, Z., Vokurka, J. Numerické metody v elektromagnetickém poli. Skripta, ČVUT-FEL.
  7. Vrba, J. Úvod do mikrovlnné techniky. Skripta, ČVUT-FEL.
  8. Tysl, V., Růžička, V. Teoretické základy mikrovlnné techniky. Skripta, 1989.
  9. Procházka, M. Antény encyklopedická příručka. BEN, Praha, 2000.
  10. Balanis, C. A. Antenna Theory, Analysis and Design. John Wiley and Sons, 1997.
  11. Kraus, J. D. Antennas. McGrawHill, 1988.
  12. Milligan, T.A. Modern Antenna Design. John Wiley and Sons, USA, 2005.
  13. Orfanidis S.J. Electromagnetic waves & Antennas. Dostupné ZDE.
  14. Russer, P. Electromagnetics, Microwave Circuit and Antenna Design for Communications Engineering. Artech House, London, 2006.
  15. Johnson, R. C. Antenna Engineering Handbook. McGrawHill, 1993.
  16. Evans, G. E. Antenna Measurement Techniques. Artech House, London, 1990.
  17. James, J.R., Hall, P.S. Handbook of Microstrip Antennas vol.1. Peter Peregrinus, London, 1989.
  18. Gupta, K.C., Garg, R., Bahl, I.J. Microstrip Lines and Slotlines. Artech House, 1979.
  19. Hoffmann, K., Hudec, P., Sokol, V. Aktivní mikrovlnné obvody. Skripta, ČVUT-FEL.

Kontakt

Ing. Pavel Hazdra, Ph.D.
http://hazdra.elmag.org
e-mail: hazdrap[at]fel.cvut.cz
Katedra elektromagnetického pole, K13117

Nahoru elmag.org fel.cvut.cz

— Miloslav Čapek 2009/11/12 11:28


Historie: • Pracoviště pro modelování elektromagnetického pole