Elektromagnetische Simulation mit openEMS - Linux-Tage ... Georg Michel Elektromagnetische...

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  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 1Georg Michel CLT 2017

    Elektromagnetische Simulation mit openEMS

    Georg Michel

    Chemnitzer Linux-Tage 2017

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 2Georg Michel CLT 2017

    Inhalt

    ● Wozu elektromagnetische Simulation? ● Wie funktioniert es? ● openEMS in der Praxis ● Ähnliche Projekte und Möglichkeiten zum

    mitmachen ● Zusammenfassung

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 3Georg Michel CLT 2017

    Industrie 4.0 + IoT

    © Eggib@openclipart.org

    ● Exponentieller Anstieg des Datenverkehrs ● Höhere Bandbreite → höhere Frequenz ● Möglichst „wireless“

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 4Georg Michel CLT 2017

    Reale Kondensatoren

    © Johanson Technology

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 5Georg Michel CLT 2017

    LNB f. Sat-TV (5,-€)

    © Wikipedia

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 6Georg Michel CLT 2017

    Klassisches Antennendesign

    Heute:  Virtuelle Prototypen im Computer

    © Peter Ward, excelworks.info

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 7Georg Michel CLT 2017

    Die Maxwell-Gleichungen

    ∇×H⃗ = J⃗+ ∂ D⃗ ∂ t

    ∇× E⃗ = −∂ B⃗ ∂ t

    ∇⋅B⃗ = 0 ∇⋅D⃗ = ϱ J⃗ = ⃗⃗σ⋅E⃗ B⃗ = ⃗⃗μ⋅H⃗ D⃗ = ⃗⃗ε⋅E⃗

    ...kennen die meisten in Form von Vereinfachungen:

    z.B R= U I

    U= jω L⋅I

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 8Georg Michel CLT 2017

    Lösungsverfahren

    © Altair FEKO

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 9Georg Michel CLT 2017

    FDTD – Finite Difference Time Domain

    E x

    E z Ey

    H x

    H z H y

    z y

    x

    © Von FDominec

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 10Georg Michel CLT 2017

    openEMS

    Gnu Octave / MATLAB (neu: Python) openEMS CSXCAD NF2FF

    Hauptprogramm

    Modelliert die Maxwell- Gleichungen

    Bibliothek + Hilfsprogramm

    modelliert und verwaltet die

    Geometrie

    Hilfsprogramm

    berechnet abgestrahlte Felder

    (z.B. Richtdiagramm)

    Hauptautor: Thorsten Liebig

    Ursprung: Uni Duisburg-Essen

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 11Georg Michel CLT 2017

    2.4GHz zum Mitschreiben

    Zeitlupe 1:7.000.000.000

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 12Georg Michel CLT 2017

    Beispiel 1: Antennen

    Agilion Tag Swift

    Antenne 2.4GHz

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 13Georg Michel CLT 2017

    Reflexionsfaktor und Richtdiagramm

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 14Georg Michel CLT 2017

    Delay und Fidelity

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 15Georg Michel CLT 2017

    Beispiel 2: Microstrip-Filter ©

    B y

    B in

    ar ys

    eq ue

    nc e

    - O w

    n w

    or k,

    C C

    B Y-

    S A

    3. 0

    Innenleben des Spektrumanalysators Agilent N9344C

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 16Georg Michel CLT 2017

    Schaltungssimulation mit modellierten Elementen

    Schnittstelle: Touchstone-Files

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 17Georg Michel CLT 2017

    Digitalschaltungen: Kompensation von Löt-Pads

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 18Georg Michel CLT 2017

    Digitalschaltungen: Kompensation von Löt-Pads

    Ausschnitt auf unterer Massefläche

    Optimierung des Augendiagramms

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 19Georg Michel CLT 2017

    Parallelisierung

    ● Gleichzeitige Bearbeitung von Teil-Volumina ● MPI (Message Passing Interface) ● Kann jeder für wenig Geld auf AWS

    ausprobieren. ● Empfehlung für AWS: Enhanced Networking

    nutzen. ● ToDo: GPU-Nutzung

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 20Georg Michel CLT 2017

    Zylindrische Koordinaten

    MRI Tutorial Bent Patch Tutorial

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 21Georg Michel CLT 2017

    Andere Open Source Projekte

    ● PUMA-EM (elektromagnetisch große Strukturen) ● NEC (Drahtantennen, häufig im Amateurfunk) ● GLMOM (Microstrip-Strukturen) ● ELMER (FEM, feine Strukturen) ● Mmtl.sf.net (layered 2.5D) ● Meep (FDTD + FDFD)

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 22Georg Michel CLT 2017

    Möglichkeiten zum Mitmachen ● Neues Python-Interface ● Alternative zu HyperLynx-Import (z.B. KiCAD

    SVG) ● AEG Mesher Integration ● Salome Integration ● GPU-Einbindung (OpenCL/CUDA) ● Integration von CSXCAD z.B. in FreeCAD

  • Elektromagnetische Simulation mit openEMS 23Georg Michel CLT 2017

    Zusammenfassung

    ● Moderne Schaltungen werden immer hochfrequenter und breitbandiger.

    ● Dabei verwischen die Grenzen zwischen konzentrierten und parasitären Elementen.

    ● Elektromagnetische Simulation ist hierbei für eine exakte Analyse/Synthese nötig (nicht nur für Antennen).

    ● Es gibt nur wenige freie EM-Simulatoren, deren Bedienung Fachwissen erfordert.

    ● openEMS ist ausgereift und praxistauglich.

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