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
● Exponentieller Anstieg des Datenverkehrs● Höhere Bandbreite → höhere Frequenz● Möglichst „wireless“
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Elektromagnetische Simulation mit openEMS 4Georg MichelCLT 2017
Reale Kondensatoren
© Johanson Technology
Elektromagnetische Simulation mit openEMS 5Georg MichelCLT 2017
LNB f. Sat-TV (5,-€)
© Wikipedia
Elektromagnetische Simulation mit openEMS 6Georg MichelCLT 2017
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
Elektromagnetische Simulation mit openEMS 8Georg MichelCLT 2017
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
Elektromagnetische Simulation mit openEMS 11Georg MichelCLT 2017
2.4GHz zum Mitschreiben
Zeitlupe 1:7.000.000.000
Elektromagnetische Simulation mit openEMS 12Georg MichelCLT 2017
Beispiel 1: Antennen
Agilion Tag Swift
Antenne2.4GHz
Elektromagnetische Simulation mit openEMS 13Georg MichelCLT 2017
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
Elektromagnetische Simulation mit openEMS 16Georg MichelCLT 2017
Schaltungssimulation mitmodellierten Elementen
Schnittstelle: Touchstone-Files
Elektromagnetische Simulation mit openEMS 17Georg MichelCLT 2017
Digitalschaltungen: Kompensation von Löt-Pads
Elektromagnetische Simulation mit openEMS 18Georg MichelCLT 2017
Digitalschaltungen:Kompensation von Löt-Pads
Ausschnitt auf unterer Massefläche
Optimierung desAugendiagramms
Elektromagnetische Simulation mit openEMS 19Georg MichelCLT 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 MichelCLT 2017
Zylindrische Koordinaten
MRI Tutorial Bent Patch Tutorial
Elektromagnetische Simulation mit openEMS 21Georg MichelCLT 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 MichelCLT 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 MichelCLT 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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