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有限元软件ANSYS在传输线特性阻抗计算基站天线精密加工电路维修塑胶面板消泡剂Frc

发布时间:2023-12-08 10:19:10 阅读: 来源:安全带厂家

有限元软件ANSYS在传输线特性阻抗计算中的应用

摘要: 具有复杂截面的传输线的特性阻抗计算一直是领域内的热点问题,尽管已有相关的 解析解法,但是当截面形状不规则时,数值方法无疑是更好的选择。本文介绍了如何采用 有限元方法(FEM)计算均匀无耗传输线的特性阻抗,着重探讨了如何在大型通用有限元软 件ANSYS上实现传输线特性阻抗计算的数值模拟,并以一种TEM传输室的设计计算为例,应用 ANSYS软件计算各段结构的截面特性阻抗,指导其各部分结构的确定,从而达到优化TEM传输 室各设计参数的目的。测试表明计算的结果与实传输线阻抗值相吻合,这种方法大大的方便 了特性阻抗的确定并提高了特性阻抗计算的精度。

关键词:特性阻抗;有限元;传输线;ANSYS

Application of Finite Element Software ANSYS to Calculate Characteristic

Impedance of Transmission Line

LIU Bin,LI Gang

(EMC Lab,Department of Mechanical Engineering, Southeast Unive rsity, Nanjing,210096, China)

Abstract: The calculation of characteristic impedance of transmission line with complicate d section is a hot spot in field Although some analytic method is available, numeric method is a better choice when the section is very irregular. This article presents how to calculate characteristic impedance of transmissi on line based on the Finite Element Method (FEM) The numerical simulation of c haracteristic impedance of transmission line, which is implemented by using ANSY S FEM software, is focused especially here Taking the design of a sort of TEM as example,The ANSYS FEM software is used to determine the dimension of se ction of the cell, in order to optimize the desi跳线机gn parameters Subsequent testi ng inosculates with the result from ANSYS e application indicates that the method have大力推动横向联合重组 a good achievement for improving the design of TEM cell

Keywords:characteristic impedance; finite element; transmiss ion line;ANSYS

1 引言

有限元方法是当今数值计算领域应用最广泛、最成熟的一种计算方法,其优点是通用性强、 精度高。随着有限元理论的深入研究,各种通用软件也应运而生,ANSYS以 其强大的前后处理功能,可靠的计算精度成为了业界的佼佼者,充分应用他可以使研究者 的注意力集中到工程设计中来。遗憾的是目前其在电磁领域的应用明显弱于力学、结构等学 科。

本文结合广泛应用于电磁兼容性试验TEM传输室和GTEM传输室的设计计算,应用ANSYS在电磁领域的计算模块,计算传输线特性阻抗,优化并简化TEM传输室的设计,并据此在ANSYS二次 开发出相应的模块。特殊截面传输线特性阻抗的计算一直是热点问题,目前普遍采用的解决方法通常有2类:美国材料实验协会(American Society for Testing and Material)之略称第一类是解析类的保角变换法,通过保角变换可以把复杂的边界转 换成比较简单的边界,然后通过比较简单的办法进一步求得解析解,但是对于不规则的截面 形状找到合适的变换函数有时几乎是不可能的,因此这种方法实际上只能解决一些特殊截面 问题;第二类是近似的数值解法,以有限元法、有限差分法、边界元法为代表。

2 有限元法计算特性阻抗的基本原理

由传输线理论可知,无耗均匀传输线特性阻抗Z0是表征长线固有特性的参数,仅决定 于传输线的界面形状、尺寸、周围介质而与频率无关。

其中:L0为传输线单位长度的电感量,C0为单位长度的电容量。

电磁波在真空中的传播速度(光速)C由式(2)确定:

由式(3)可知,特性阻抗的确定关键是其分布电容的确定。

用有限元法求解分布电容的思路:以数值方法确定截面的电场分布,再根据区域内能量与场 强的关系式:

得到区域内的电场能,以下是这一思路的基本推导过程:

对于以TEM为主模传输的大部分传输线来说,其内部场分部的求解可以采用二维准静态 的方法处理,在二维平面场的情况下,区域内电场分布用Lap lace方程第一类研发出1种具有低本钱、高可拉伸性、高灵敏度等功能特性的柔性可拉伸应变传感器材料边界条件描述 为:

由变分原理可知上述边值问题等价于在满足条件φc=f1的函数类中 ,求φ以使下面的泛函取得最小值:

不难得出,变分原理在此处的物理意义为:当用边值问题求解静电场电位时,在求解区 域中当电磁场稳定后电场能量达到最小。

进行场域的剖分、插值,对式如皋(6)进行取极值得到刚度矩阵:

式(8)即为有限元法的代数方程组,[k]为其系数矩阵,[k]=(kij) (i,j=1,2, 3,…,n0)。

对方程组的求解即可得到场域位函数Φ(x,y),根据式(9)容易得到区域内的电场解:

至此电场分量的求解完成。将式(4)应用到这里就可得到区域内的电场能量,如式(10 ):

其中:Ex,Ey是单元I上电场的对应分量,Si为对应场域的面积。

求得电场能量后,再由式(11)即可得出截面分布电容:

其中:ΔV为两导体间电势差。

3 分析过程

3.1建立模型

对于一个给定的传输线截面来说,一般可以分为2种情况:一是截面为封闭系统,同轴线结 构及其各种形式的变种,如微带线、GTEM小室等,如图1所示。第二种是两导体间的介质空 间具有开放的边界,如平行结构双线,如图2所示。两种情况建模时要分别对待。对第一 种情况只需在内外导体间加电位差,划分格计算即可;而对第二种情况则要在开放的边界 外再设置无限边界单元,然后计算区域内的电场能量。

此处以TEM小室内传输截面为例属于第一种情况如图3所示。

根据前面的分析可知,提取截面的电容只要用到ANSYS的静电场分析模块,依次进行如下步 骤:

生成几何图形→设置材料属性、添加二维静电场单元PLANE121→设置内导体及侧板局部细化 参数→进行格划分进行上述操作后即得到如图4所示的计算模型。

3.2加载边界条件及求解

对于用静电场模块提取电容的加载很简单,只需在相应导体上施加电压载荷即可,在这里将 相当于外导体的各边施加电压0 V,内导体各边施加电压1 V,这样即在内外导体间施加了1 V的电势差,以上工作完成后求解即可。图5为求解后模型的能量分布。

3.3截面电容的提取

ANSYS强大的后处理可以使用户方便地调用任何结果参数,结果的获得可以通过命令或者GUI 方式,在后处理程序中按照以下步骤:

定义单元列表→提取单元总能量→在参数菜单里提取电容。结果界面如图6所示。

需要注意的是,当所分析截面为如图2所示的情况时应首先用二维无限单元(如ANSYS程序中的 单元110)对外围阴影表示的无限区域进行格划分,无限区域的范围随不同模型的具体情况 而变。

4结论

本例中,复杂截面传输的特性阻抗得到了比较理想的控制,用Tektronix公司的1502B时域 反射计测试设计阻抗的结果同样验证了方法的可行性。

由上述分析可知,利用ANSYS计算传输线特性阻抗方便快捷,相比经验公式他能提供更准确 的数据,又可省去繁琐的编程过程。

ANSY还提供了宏(MACRO)、参数化设计语言(APDL)、用户界面设计语言(UIDL)和用户 可编程特性(UPFs)几种二次开发工具,利用同轴电缆这些二次开发工具可以容易的开发出针对特性 阻抗计算的模块,在ANSYS中特性阻抗的计算方法是:在后处理中,定义能量单元表,并相 加各单元的能量求出总能量,然后按式(11)求出分布电容,进而求得特性阻抗。要用到的 基本命令为:

参考文献

[1]金建铭.电磁场有限元方法[M].西安:西安电子科技大学出版社 ,1998.

[2]Rankin D F,Novac B M, Smith I缓冲 R.A Two Dimensional Electro magnetic Electroplastic Modeling Technique[A].Pulsed Power Conference, 2003

[3]王秉中.计算电磁学[M].北京:科学出版社,2002(end)


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