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
Elektromagnetische Simulation mit openEMS 14Georg MichelCLT 2017
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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