reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© WaveTest Przemysł elektroniczny | 20 kwietnia 2018

Wykład WAVE-TEST / CST na TEC Warszawa 2018

Wykład Jarosława Kwiatkowskiego z firmy WAVE-TEST to z pewnością pozycja obowiązkowa dla wszystkich inżynierów pracujących z wysokimi częstotliwościami.
Temat „Symulacje elektromagnetyczne w projektowaniu urządzeń elektronicznych RF i mikrofalowych” jest doskonale znany przedstawicielowi firmy dostarczającej aparaturę pomiarową, oprogramowanie i usługi w obszarze techniki wielkich częstotliwości. Serdecznie zapraszamy więc do wysłuchania wystąpienia Jarosława Kwiatkowskiego podczas tegorocznego seminarium w ramach TEC Warszawa 2018, które odbędzie się 17 maja 2018 roku w hotelu Double Tree by Hilton w Warszawie. Darmowa rejestracja możliwa jest pod tym linkiem.

A zanim posłuchacie eksperta WAVE-TEST na żywo, zapraszamy do lektury wywiadu:

evertiq.pl: – Dlaczego projektanci urządzeń elektronicznych wchodzą w obszar wysokich częstotliwości?

Jarosław Kwiatkowski, sales manager WAVE-TEST: – Projektanci i producenci zaawansowanej elektroniki coraz śmielej korzystają z dobrodziejstw techniki RF & μW (Radio Frequencies & Microwaves) stosując coraz wyższe częstotliwości pracy układów cyfrowych i analogowych w wielu aplikacjach. W obszarze elektroniki powszechego użytku marsz w kierunku wysokich częstotliwości napędzają generalnie dwie potrzeby. Jedna to konieczność przesyłania coraz większych strumieni informacji co wymaga coraz stosowania coraz szerszych pasm modulacyjnych a co za tym idzie coraz wyższych częstotliwości nośnych. Druga to potrzeba wykorzystania fal elektromagnetycznych do przesyłu informacji przez interfejsy bezprzewodowe, co wiąże się z koniecznością wykorzystania wbudowanych anten, których wymiary korzystnie maleją ze wzrostem częstotliwości nośnej.

– W jakich aplikacjach wykorzystujemy częstotliwości radiowe i mikrofalowe?

– Najczęstsze zastosowanie częstotliwości RF&μW wokół nas to oczywiście telefonia komórkowa. Raczej nie mamy u nas w kraju ośrodków R&D projektujących telefony komórkowe lub elementy niezbędnej infrastruktury, ale są firmy produkujące sprzęt do łączności mobilnej dla wojska oraz ośrodki badawcze zajmujące się bezpieczeństwem użytkowania systemów łączności bezprzewodowej. Równie powszechne są dzisiaj interfejsy do komunikacji bezprzewodowej, w które wyposażona jest cała gama urządzeń elektronicznych powszechnego użytku. Najbardziej popularne przykłady to Wi-Fi działające w pasmach do 5.9 GHz oraz Bluetooth pracujący w paśmie 2.4GHz.

Innnym przykładem interfejsu bezprzewodowego o niezbyt wysokiej częstotliwości, ale wykorzystującego sprzężenie elektromagnetyczne, jest NFC (Near Field Communication), pracujący na 13,56 MHz. O ile sam moduł transcivera RF interfejsu bezprzewodowego jest implementowany zazwyczaj jako gotowy układ scalony, o tyle antena i układy dopasowujące są już często obiektem zainteresowania konstruktorów układów RF.

Druga grupa aplikacji, w których wykorzystanie wysokich częstotliwości jest niezbędne i rodzi dużo problemów konstrukcyjnych to układy szybkiej cyfrowej transmisji danych realizowane w technice wielowarstwowych obwodów drukowanych. Przykładem może być magistrala danych pomiędzy procesorem i współpracującym z nim modułem pamięci.

Kolejna grupa zastosowań to grzejnictwo, czyli popularne kuchenki mikrofalowe ale też profesjonalne urządzenia przemysłowe np. do suszenia drewna lub do wulkanizacji uszczelek gumowych wykorzystywanych przez przemysł samochodowy. Jeśli mówimy o samochodach to warto wspomnieć o ekspansji mikrofal w samochodowych systemach bezpieczeństwa. Montowane w samochodach wyższej klasy radary antykolizyjne zapewniające utrzymania bezpiecznego odstępu od poprzedzającego pojazdu operują na częstotliwościch 60-70GHz. Pozostaje też cała klasa rozwiązań dla wojska obejmujących łaczność, radiolokację i broń nowej generacji o energii skierowanej.

– Jakie problemy wiążą się wykorzystaniem wysokich częstotliwości z punktu widzenia projektantów urządzeń elektronicznych?

– Wykorzystanie wysokich częstotliwości rodzi szereg problemów natury elektromagnetycznej, które wcześniej nie występowały lub występowały ale były słabo identyfikowane. Mówimy tu np. o zmianach własności elementów elektronicznych, w których ze wzrostem częstotliwości rośnie udział pasożytniczych indukcyjności lub pojemności. Zaczynają pojawić się sprzężenia pomiędzy bliskimi ścieżkami i elementami na płytce PCB, przez co rośnie rola układu mozaiki ścieżek na płytce.

Rosną wymagania na szczelność elektromagnetyczną obudów urządzeń, która gwarantuje z jednej strony brak emisji zakłóceń wytwarzanych przez urządzenie, a z drugiej eliminuje zagrożenia pochodzących od zewnętrznych źródeł promieniowania EM.

W układach cyfrowych o wysokich częstotliwościach zegara występują problemy typu "Signal Integrity" i "Power Integrity". Pierwszy z nich dotyczy transmisji szybkich sygnałów cyfrowych realizowanych na parach ścieżek z przesyłem różnicowym. Drugi dotyczy dystrybucji napięcia zasilającego na drukach PCB w warunkach obecności szybkich układów cyfrowych pobierających energię ze ścieżek zasilania w sposób impulsowy. Emisja pól EM wielkiej częstotliwości wiąże się też z aspektami ochrony zdrowia i normami ochronnymi dotyczącymi dopuszczalnych natężeń pól w miejscu pracy, w przestrzeni publicznej i w miejscu zamieszkania.

– Jakie narzędzia stosują projektanci układów RFi μW?

– Skuteczne projektowanie i weryfikacja współczesnej, zaawansowanej elektroniki wymaga odpowiedniego oprzyrządowania pomiarowego. Narzędziami pracy konstruktora elektronika ubiegłego wieku były głównie multimetr wielofunkcyjny, prosty generator z modulacjami analogowymi i analogowy oscyloskop. Współczesny projektant układów RF & μW potrzebuje zaawansowanego analizatora widma wyposażonego w funkcję wektorowej analizy sygnałów, cyfrowego oscyloskopu o szerokim pasmie przenoszenia i dużej częstotliwości próbkowania, generatora udostępniającego modulacje wektorowe a czasem również wektorowego analizatora obwodów. Taki zaawansowany zestaw aparatury pomiarowej daje wprawdzie dokładną odpowiedź na pytanie, czy zaprojektowany i wykonany prototyp spełnia postawione wymagania funkcjonalne, ale jest to odpowiedź "post factum". Zaprojektowany układ musimy najpierw wyprodukować choćby w jednej sztuce, żeby móc go pomierzyć.

Rosnący stopień zaawansowania technologicznego współczesnej elektroniki powoduje wzrost kosztów wykonania prototypu. Z drugiej strony narasta presja na krótki okresu projektowania czyli skracanie czasu od pomysłu do gotowego produktu. Te czynniki powodują, że oczekiwane jest projektowanie superefektywne, w którym pierwszy prototyp jest od razu trafiony "w punkt" pod względem wymagań. Tu pojawia się miejsce na specjalistyczne oprogramowanie typu 3D-EM do projektowania układów elektronicznych wielkiej częstotliwości. Takim oprogramowaniem jest symulator elektromagnetyczny 3D-EM "CST STUDIO SUITE". Oprogramowanie to pozwala badać własności prototypu już w fazie projektowej gdy istnieje on jeszcze w przestrzeni wirtualnej, a więc zanim poniesiemy koszty wykonania prototypu fizycznego.


© Wave-Test

– Jak wygląda praca z symulatorem 3D-EM?

– Praca z takim programem obejmuje dwa etapy. Pierwszy etap to modelowanie struktury 3D, którą chcemy poddać analizie. Taką strukturą może być np. antena na płytce PCB lub antena w postaci zewnętrznego elementu promieniującego, dla której chcemy wyznaczyć dopasowanie w pasmie częstotliwości, zysk lub charakterystykę kierunkową. Innym przykładem obiektu może być filtr mikropaskowy z dodatkowymi elementami SMD. Można również badać kompletną płytkę PCB pod kątem emisji zakłóceń lub wrażliwości na zakłócenia zewnętrzne. Elementem modelowanym może być również obudowa urządzenia, którą chcemy ocenić pod kątem szczelności elektromagnetycznej.

Modelowanie struktury polega na odtworzeniu jej kształtu 3D w przestrzeni wirtualnej przy pomocy wbudowanego modelera przypominającego funkcjonalnością typowe programy do projektowania CAD. Jeżeli jest dostępny gotowy model 3D utworzony w programie CAD można go zaimportować do CST STUDIO w jednym z wielu obsługiwanych formatów.

Następnie należy zdefiniować materiały z jakich wykonane są elementy analizowanej struktury. Materiały możemy wybierać z bogatej biblioteki własnej CST STUDIO. Obejmuje ona cały szereg metali i dielektryków, idealnych i stratnych. Można również definiować materiały własne na podstawie znanych parametrów materiałowych, takich jak ε, μ, σ, tg(δ), w tym również materiały anizotropowe. W przypadku importu płytek PCB ze środowisk projektowych EDA materiały metalizacji i podłoża importowane są automatycznie.

W utworzonej strukturze 3D definiujemy porty elektryczne do których podłączamy źródła napięciowe lub prądowe o określonej charakterystyce czasowej lub częstotliwościowej. Do portów możemy podłączać też inne elementy obwodowe, liniowe i nieliniowe, bierne i aktywne, które mogą zastępować część układu występującą poza modelowaną strukturą 3D. Dodatkowe elementy podłączane do portów to wirtualne mierniki napięcia oraz prądu, a wokół struktury można rozmieścić także monitory pola.

Po etapie modelowania przechodzimy do etapu symulacji. Pierwszy krok to wybór odpowiedniego solvera, czyli algorytmu symulacyjnego będącego najczęściej implementacją równań Maxwella uzupełnionych o standardowe równania obwodowe dotyczące przepływów prądów i spadków napięć. Dwa podstawowe solvery spośród kilkunastu oferowanych przez CST STUDIO to "T - Time Domain Solver" i "F- Frequency Domain Solver". Po wyborze solvera następuje proces siatkowania (meshing) polegający na podziale struktury na komórki elementarne czworościenne (tetrahedral mesh) lub prostopadłościenne (hexahedral mesh). Po zakończeniu siatkowania rozpoczyna się etap właściwej symulacji, który w zależności od stopnia skomplikowania struktury i jej rozmiarów oraz mocy obliczeniowej komputera może trwać od kilku minut nawet do kilkudziesięciu godzin.

Wynikiem działania programu są rozkłady napięć i prądów w układzie oraz rozkład pola elektromagnetycznego w otaczającej przestrzeni. Możliwe są również bardziej zaawansowane typy wyników uzyskiwane w drodze postprocessingu, takie jak np. widmo sygnału wytwarzanego w układzie, charakterystyka tłumienia filtru w funkcji częstotliwości, charakterystyka promieniowania anteny w strefie dalekiej i w strefie bliskiej, tzw. diagram oka (eye diagram) dla sygnału cyfrowego, mapa impedancyjna układu zasilania płytki PCB, itp.

– Czy symulator elektromagnetyczny 3D może być pomocny w rozwiązywaniu problemów EMC?

– Wielu użytkowników CST STUDIO stosuje ten program jako narzędzie pozwalające uniknąć potencjalnych problemów EMC już na etapie projektowania urządzenia. Uniwersalność programu pozwala stosować go do wstępnej oceny emisyjności i wrażliwości zarówno promieniowanej jak i przewodzonej. CST STUDIO pozwala na wczesnym etapie zlokalizować miejsca krytyczne pod kątem EMC oraz przetestować skuteczność proponowanych środków zaradczych. W przypadku dostępnej bardzo mocnej platformy sprzętowej PC (np. klaster serwerów wyposażonych w mocne karty graficzne Nvidia i połączonych siecią InfiniBand) można się nawet pokusić o wykonanie kompletnego badania kompatybilności elektromagnetycznej EMC dla urządzenia będącego jeszcze na etapie prototypu wirtualnego.

– Dziękuję za rozmowę!

Komentarze

Zauważ proszę, że komentarze krytyczne są jak najbardziej pożądane, zachęcamy do ich zamieszczania i dalszej dyskusji. Jednak komentarze obraźliwe, rasistowskie czy homofobiczne nie są przez nas akceptowane. Tego typu komentarze będą przez nas usuwane.
reklama
Załaduj więcej newsów
October 15 2018 23:56 V11.6.0-2