Антенно-фидерные устройства АФУ / Лабы по CST / 16_20140818__CST-_
.pdfИсточник тепла
Источник тепла задается командой Solve Heat Source… (
)
Этот тип источника может быть установлен только на твердый объект PTC. Источник тепла определяет общий поток тепла от поверхности PTC.
Источник тепла, который зависит от термальных потерь
Этот источник тепла устанавливается командой Solve Thermal Loss Distribution… (
)
Тепловые потери могут создавать электрические материалы с конечной проводимостью, дисперсионные материалы или могут быть вызваны частицами, падающими на материальное тело. Эти распределения потерь могут быть импортированы и использоваться как тепловые источники внутри теплопроводящих материалов. Если имеются предварительно расчетные распределения потерь, вы можете отредактировать установку повторным
открытием диалога командрй Solve Thermal Loss Distribution… (
)
Возможно выбрать излучаемые поля из того же самого проекта или из внешнего проекта.
Для таких вычислений можно использовать следующие поля излучения:
-поле постоянного тока;
-поле тока НЧ (вихревые токи);
-поля плотности ВЧ тока от CST MWS (решающее устройство во временной области, решающее устройство Eigenmode, решающее устройство в частотной области);
-тепловые потери от столкновений частиц из CST PARTICLE
STUDIO.
9.3. Пример расчета тепла в микросхеме
Источником нагрева радиотехнического устройства может быть нагретый до определенной температуры объект, а также электромагнитные потери в металле и диэлектрике. Выполним анализ теплового режима отрезка полосковой линии, замкнутого в корпус (рис. 9.1).
241
Рис. 9.1. Отрезок МПЛ, замкнутый в корпусе
Последовательность расчета СВЧ структур с учетом температурного режима:
1.Создание проекта с использованием шаблона для термальной косимуляции.
2.Задание электрических и термальных свойств материала в CST
MWS.
3.Черчение структуры проекта.
4.Задание электромагнитных и термальных граничных условий.
5.Задание E- и H-поля мониторов для оценки потерь в объеме и на поверхности.
6.Проверка на пересечение решений, с помощью опции Model
Intersection check.
7.Запуск расчета электромагнитного поля (LF-, HF-, Eigenmodesolver).
8.Изменение типа задачи к задаче Thermal.
9.Задание потерь с помощью источника Source Field (потерь в объеме и потерь на поверхности, а также установка масштабного коэффициента мощности).
10.Задание дополнительных источников нагрева.
11. Запуск термального солвера.
Пусть на вход микрополосковой линии поступает мощность 25 Вт. Корпус построен так, чтобы внутри него была свободная конвекция воздуха. Тепловые свойства радиатора определяются теплопроводностью.
Чтобы выполнить термальную косимуляцию, нужно задать потери в объеме и потери на поверхности при электрическом моделировании. Кроме этого, нужно задать мониторы E- и H-поля в CST MWS.
242
Все материалы должны быть описаны как имеющие свойства термальной проводимости. Более того, чтобы получить электрические объемные и поверхностные потери, нужно задать электрическую проводимость для всех металлов, и для нормальных материалов (диэлектриков) должны быть заданы потери. Это выполняется, используя или электрическую проводимость, или тангенс диэлектрических потерь материала.
Запустим CST MWS. Выберем шаблон фильтра на термальную косимуляцию (рис. 9.2), параметры окружающей среды (рис. 9.3) и единицы
(рис. 9.4).
Рис. 9.2. Шаблон |
Рис. 9.3. Задание |
Рис. 9.4. Задание |
термальной косимуляции |
материала |
единиц |
|
окружения |
|
Начертим подложку размером 10 мм 20 мм с проницаемостью 10.8 (рис. 9.5).
Рис. 9.5. Черчение подложки
243
Пусть созданный материал substrate имеет характеристики, устанавливаемые в закладках диалога Material Properties (рис. 9.6-9.8).
Рис. 9.6. Свойства |
Рис. 9.7. Задание |
Рис. 9.8. Параметры |
материала substrate – тангенса потерь во всем |
теплопроводности |
|
проницаемость 10, |
диапазоне частот |
материала подложки |
тангенс потерь 0.01 |
равномерным |
1 Вт/(м град). |
Начертим полосковую линию, используя захват середины ребра, с одного ребра и с другого ребра (рис. 9.9).
Рис. 9.9. Полосковая линия толщиной 0.1 мм
Особенностью такого черчения является то, что координаты в окнах рис. 9.9 появляются в виде функций, которые задают координаты точки (xp, yp, zp). Zmax=0.1 указывает, что линия имеет толщину 0.1 мм. Параметры материала меди загружаем из библиотеки командой Materials Load Materials Library. Температурная проводимость меди равна 401 Вт/град/м (рис. 9.10).
244
Рис. 9.10. Выбор меди из библиотеки материалов
9.4. Черчение радиатора
Начертим металлический корпус толщиной 1 мм вокруг линии на подложке. Для этого сначала чертим вертикальную стенку толщиной 1 мм
(рис. 9.11).
Рис. 9.11. Черчение вертикальной стенки металлического корпуса (медь)
245
Затем начертим горизонтальную стенку внизу платы (рис. 9.12).
Рис. 9.12. Черчение нижней стенки корпуса
Выделим вертикальную и горизонтальную стенку и выполним над ними преобразование (вращение на 180 относительно оси x) (рис. 9.13).
Рис. 9.13. Вращение двух сторон корпуса
Затем объединяем все части корпуса и в результате получаем конструкцию радиатора, показанную на рис. 9.14.
Теперь зададим электромагнитные и термальные граничные условия.
246
Расширим границы распространения тепла на 4 мм по X и Z направлениям. Это выполняется в диалоге Background Properties (рис. 9.14) и нужно для того, чтобы тепло конвертировало вне нагретого корпуса.
Рис. 9.14. Конструкция радиатора и бокс окражующего пространства
Температурные граничные условия задаются на странице Termal Boundaries (рис. 9.15). Это могут быть изотермальные, адиабатические границы, а также границы с заданной фиксированной температурой.
Рис. 9.15. Термальные границы корпуса с микрополосковой линией
Термальные границы ставим как изотермальные в плоскости XoZ и XoY и адиабатические в плоскости YoZ.
247
Далее ставим порты на входе и выходе микрополосковой линии. Для постановки порта 1 можно выделить ребра по ближнему пространству
(рис. 9.16).
Рис. 9.16. Параметры порта 1
Аналогично ставим порт 2 с противоположной стороны корпуса.
Для расчета S-параметров используется решающее устройство во временной области, а мониторы трехмерного поля задаются для расчета поля в диапазоне частот от 0 до 10 ГГц.
Временной сигнал, соответствующий этому диапазону частот, показан на рис. 9.17.
Рис. 9.17. Временной процесс, соответствующий полосе от 1 до 10 Ггц
248
Нужно обязательно задать мониторы электрического и магнитного поля, а также монитор Power loss density /(SAR) – чтобы рассчитать плотность мощности потерь и величину удельной мощности поглощения
(рис. 9.18).
Рис. 9.18. Задание мониторов для расчета поля E и поля H
Нажимаем на «T» и запускаем расчет во временной области (рис. 9.19).
Рис. 9.19. Задание на расчет отрезка линии во временной области
Результаты расчета показаны на рис. 9.20.
249
Рис. 9.20. Результаты расчета поля в сечении волновода на частоте 5.5 ГГц
Теперь, после того, как было рассчитано электромагнитное поле и потери в пространстве, можно перейти к термальному анализу.
Выберем условия, для каких физических задач будет выполняться моделирование. Командой Solve Model Intersection Check вызывается диалог рис. 9.21, в котором устанавливаем опции электромагнитного и термального режима.
Рис. 9.21. Вызов диалога Check Model Intersection
В диалоге Check Model Intersection можно отметить режимы проверки модели на предмет перекрытия областей, в которых рассматриваются электромагнитные и тепловые свойства. Если обнаружено пересечение таких областей, то открывается диалог, чтобы определить необходимую булеву операцию, для разрешения этого пересечения.
Теперь переключаем на термальный расчет (рис. 9.22) и задаем распределение тепловых потерь на поверхностях.
250