Elektromagnetische Simulation mit openEMS 1Georg MichelCLT 2017

Elektromagnetische Simulationmit openEMS

Georg Michel

Chemnitzer Linux-Tage 2017

Elektromagnetische Simulation mit openEMS 2Georg MichelCLT 2017

Inhalt

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

mitmachen● Zusammenfassung

Elektromagnetische Simulation mit openEMS 3Georg MichelCLT 2017

Industrie 4.0 + IoT

© Eggib@openclipart.org

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

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Reale Kondensatoren

© Johanson Technology

Elektromagnetische Simulation mit openEMS 5Georg MichelCLT 2017

LNB f. Sat-TV (5,-€)

© Wikipedia

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Klassisches Antennendesign

Heute: Virtuelle Prototypen im Computer

© Peter Ward, excelworks.info

Elektromagnetische Simulation mit openEMS 7Georg MichelCLT 2017

Die Maxwell-Gleichungen

∇×H⃗ = J⃗+ ∂ D⃗∂ t

∇× E⃗ = −∂ B⃗∂ t

∇⋅B⃗ = 0∇⋅D⃗ = ϱJ⃗ = ⃗⃗σ⋅E⃗B⃗ = ⃗⃗μ⋅H⃗D⃗ = ⃗⃗ε⋅E⃗

...kennen die meisten in Form von Vereinfachungen:

z.B R=UI

U= jω L⋅I

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Lösungsverfahren

© Altair FEKO

Elektromagnetische Simulation mit openEMS 9Georg MichelCLT 2017

FDTD – Finite Difference Time Domain

E x

E zEy

H x

H zH y

z y

x

© Von FDominec

Elektromagnetische Simulation mit openEMS 10Georg MichelCLT 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

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2.4GHz zum Mitschreiben

Zeitlupe 1:7.000.000.000

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Beispiel 1: Antennen

Agilion Tag Swift

Antenne2.4GHz

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Reflexionsfaktor und Richtdiagramm

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Delay und Fidelity

Elektromagnetische Simulation mit openEMS 15Georg MichelCLT 2017

Beispiel 2: Microstrip-Filter©

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3.0

Innenleben des Spektrumanalysators Agilent N9344C

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Schaltungssimulation mitmodellierten Elementen

Schnittstelle: Touchstone-Files

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Digitalschaltungen: Kompensation von Löt-Pads

Elektromagnetische Simulation mit openEMS 18Georg MichelCLT 2017

Digitalschaltungen:Kompensation von Löt-Pads

Ausschnitt auf unterer Massefläche

Optimierung desAugendiagramms

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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

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Zylindrische Koordinaten

MRI Tutorial Bent Patch Tutorial

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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)

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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

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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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