reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© WaveTest Przemys艂 elektroniczny | 20 kwietnia 2018

Wyk艂ad WAVE-TEST / CST na TEC Warszawa 2018

Wyk艂ad Jaros艂awa Kwiatkowskiego z firmy WAVE-TEST to z pewno艣ci膮 pozycja obowi膮zkowa dla wszystkich in偶ynier贸w pracuj膮cych z wysokimi cz臋stotliwo艣ciami.
Temat 鈥濻ymulacje elektromagnetyczne w projektowaniu urz膮dze艅 elektronicznych RF i mikrofalowych” jest doskonale znany przedstawicielowi firmy dostarczaj膮cej aparatur臋 pomiarow膮, oprogramowanie i us艂ugi w obszarze techniki wielkich cz臋stotliwo艣ci. Serdecznie zapraszamy wi臋c do wys艂uchania wyst膮pienia Jaros艂awa Kwiatkowskiego podczas tegorocznego seminarium w ramach TEC Warszawa 2018, kt贸re odb臋dzie si臋 17 maja 2018 roku w hotelu Double Tree by Hilton w Warszawie. Darmowa rejestracja mo偶liwa jest pod tym linkiem.

A zanim pos艂uchacie eksperta WAVE-TEST na 偶ywo, zapraszamy do lektury wywiadu:

evertiq.pl: 鈥 Dlaczego projektanci urz膮dze艅 elektronicznych wchodz膮 w obszar wysokich cz臋stotliwo艣ci?

Jaros艂aw Kwiatkowski, sales manager WAVE-TEST: 鈥 Projektanci i producenci zaawansowanej elektroniki coraz 艣mielej korzystaj膮 z dobrodziejstw techniki RF & 渭W (Radio Frequencies & Microwaves) stosuj膮c coraz wy偶sze cz臋stotliwo艣ci pracy uk艂ad贸w cyfrowych i analogowych w wielu aplikacjach. W obszarze elektroniki powszechego u偶ytku marsz w kierunku wysokich cz臋stotliwo艣ci nap臋dzaj膮 generalnie dwie potrzeby. Jedna to konieczno艣膰 przesy艂ania coraz wi臋kszych strumieni informacji co wymaga coraz stosowania coraz szerszych pasm modulacyjnych a co za tym idzie coraz wy偶szych cz臋stotliwo艣ci no艣nych. Druga to potrzeba wykorzystania fal elektromagnetycznych do przesy艂u informacji przez interfejsy bezprzewodowe, co wi膮偶e si臋 z konieczno艣ci膮 wykorzystania wbudowanych anten, kt贸rych wymiary korzystnie malej膮 ze wzrostem cz臋stotliwo艣ci no艣nej.

鈥 W jakich aplikacjach wykorzystujemy cz臋stotliwo艣ci radiowe i mikrofalowe?

鈥 Najcz臋stsze zastosowanie cz臋stotliwo艣ci RF&渭W wok贸艂 nas to oczywi艣cie telefonia kom贸rkowa. Raczej nie mamy u nas w kraju o艣rodk贸w R&D projektuj膮cych telefony kom贸rkowe lub elementy niezb臋dnej infrastruktury, ale s膮 firmy produkuj膮ce sprz臋t do 艂膮czno艣ci mobilnej dla wojska oraz o艣rodki badawcze zajmuj膮ce si臋 bezpiecze艅stwem u偶ytkowania system贸w 艂膮czno艣ci bezprzewodowej. R贸wnie powszechne s膮 dzisiaj interfejsy do komunikacji bezprzewodowej, w kt贸re wyposa偶ona jest ca艂a gama urz膮dze艅 elektronicznych powszechnego u偶ytku. Najbardziej popularne przyk艂ady to Wi-Fi dzia艂aj膮ce w pasmach do 5.9 GHz oraz Bluetooth pracuj膮cy w pa艣mie 2.4GHz.

Innnym przyk艂adem interfejsu bezprzewodowego o niezbyt wysokiej cz臋stotliwo艣ci, ale wykorzystuj膮cego sprz臋偶enie elektromagnetyczne, jest NFC (Near Field Communication), pracuj膮cy na 13,56 MHz. O ile sam modu艂 transcivera RF interfejsu bezprzewodowego jest implementowany zazwyczaj jako gotowy uk艂ad scalony, o tyle antena i uk艂ady dopasowuj膮ce s膮 ju偶 cz臋sto obiektem zainteresowania konstruktor贸w uk艂ad贸w RF.

Druga grupa aplikacji, w kt贸rych wykorzystanie wysokich cz臋stotliwo艣ci jest niezb臋dne i rodzi du偶o problem贸w konstrukcyjnych to uk艂ady szybkiej cyfrowej transmisji danych realizowane w technice wielowarstwowych obwod贸w drukowanych. Przyk艂adem mo偶e by膰 magistrala danych pomi臋dzy procesorem i wsp贸艂pracuj膮cym z nim modu艂em pami臋ci.

Kolejna grupa zastosowa艅 to grzejnictwo, czyli popularne kuchenki mikrofalowe ale te偶 profesjonalne urz膮dzenia przemys艂owe np. do suszenia drewna lub do wulkanizacji uszczelek gumowych wykorzystywanych przez przemys艂 samochodowy. Je艣li m贸wimy o samochodach to warto wspomnie膰 o ekspansji mikrofal w samochodowych systemach bezpiecze艅stwa. Montowane w samochodach wy偶szej klasy radary antykolizyjne zapewniaj膮ce utrzymania bezpiecznego odst臋pu od poprzedzaj膮cego pojazdu operuj膮 na cz臋stotliwo艣cich 60-70GHz. Pozostaje te偶 ca艂a klasa rozwi膮za艅 dla wojska obejmuj膮cych 艂aczno艣膰, radiolokacj臋 i bro艅 nowej generacji o energii skierowanej.

鈥 Jakie problemy wi膮偶膮 si臋 wykorzystaniem wysokich cz臋stotliwo艣ci z punktu widzenia projektant贸w urz膮dze艅 elektronicznych?

鈥 Wykorzystanie wysokich cz臋stotliwo艣ci rodzi szereg problem贸w natury elektromagnetycznej, kt贸re wcze艣niej nie wyst臋powa艂y lub wyst臋powa艂y ale by艂y s艂abo identyfikowane. M贸wimy tu np. o zmianach w艂asno艣ci element贸w elektronicznych, w kt贸rych ze wzrostem cz臋stotliwo艣ci ro艣nie udzia艂 paso偶ytniczych indukcyjno艣ci lub pojemno艣ci. Zaczynaj膮 pojawi膰 si臋 sprz臋偶enia pomi臋dzy bliskimi 艣cie偶kami i elementami na p艂ytce PCB, przez co ro艣nie rola uk艂adu mozaiki 艣cie偶ek na p艂ytce.

Rosn膮 wymagania na szczelno艣膰 elektromagnetyczn膮 obud贸w urz膮dze艅, kt贸ra gwarantuje z jednej strony brak emisji zak艂贸ce艅 wytwarzanych przez urz膮dzenie, a z drugiej eliminuje zagro偶enia pochodz膮cych od zewn臋trznych 藕r贸de艂 promieniowania EM.

W uk艂adach cyfrowych o wysokich cz臋stotliwo艣ciach zegara wyst臋puj膮 problemy typu "Signal Integrity" i "Power Integrity". Pierwszy z nich dotyczy transmisji szybkich sygna艂贸w cyfrowych realizowanych na parach 艣cie偶ek z przesy艂em r贸偶nicowym. Drugi dotyczy dystrybucji napi臋cia zasilaj膮cego na drukach PCB w warunkach obecno艣ci szybkich uk艂ad贸w cyfrowych pobieraj膮cych energi臋 ze 艣cie偶ek zasilania w spos贸b impulsowy. Emisja p贸l EM wielkiej cz臋stotliwo艣ci wi膮偶e si臋 te偶 z aspektami ochrony zdrowia i normami ochronnymi dotycz膮cymi dopuszczalnych nat臋偶e艅 p贸l w miejscu pracy, w przestrzeni publicznej i w miejscu zamieszkania.

鈥 Jakie narz臋dzia stosuj膮 projektanci uk艂ad贸w RFi 渭W?

鈥 Skuteczne projektowanie i weryfikacja wsp贸艂czesnej, zaawansowanej elektroniki wymaga odpowiedniego oprzyrz膮dowania pomiarowego. Narz臋dziami pracy konstruktora elektronika ubieg艂ego wieku by艂y g艂贸wnie multimetr wielofunkcyjny, prosty generator z modulacjami analogowymi i analogowy oscyloskop. Wsp贸艂czesny projektant uk艂ad贸w RF & 渭W potrzebuje zaawansowanego analizatora widma wyposa偶onego w funkcj臋 wektorowej analizy sygna艂贸w, cyfrowego oscyloskopu o szerokim pasmie przenoszenia i du偶ej cz臋stotliwo艣ci pr贸bkowania, generatora udost臋pniaj膮cego modulacje wektorowe a czasem r贸wnie偶 wektorowego analizatora obwod贸w. Taki zaawansowany zestaw aparatury pomiarowej daje wprawdzie dok艂adn膮 odpowied藕 na pytanie, czy zaprojektowany i wykonany prototyp spe艂nia postawione wymagania funkcjonalne, ale jest to odpowied藕 "post factum". Zaprojektowany uk艂ad musimy najpierw wyprodukowa膰 cho膰by w jednej sztuce, 偶eby m贸c go pomierzy膰.

Rosn膮cy stopie艅 zaawansowania technologicznego wsp贸艂czesnej elektroniki powoduje wzrost koszt贸w wykonania prototypu. Z drugiej strony narasta presja na kr贸tki okresu projektowania czyli skracanie czasu od pomys艂u do gotowego produktu. Te czynniki powoduj膮, 偶e oczekiwane jest projektowanie superefektywne, w kt贸rym pierwszy prototyp jest od razu trafiony "w punkt" pod wzgl臋dem wymaga艅. Tu pojawia si臋 miejsce na specjalistyczne oprogramowanie typu 3D-EM do projektowania uk艂ad贸w elektronicznych wielkiej cz臋stotliwo艣ci. Takim oprogramowaniem jest symulator elektromagnetyczny 3D-EM "CST STUDIO SUITE". Oprogramowanie to pozwala bada膰 w艂asno艣ci prototypu ju偶 w fazie projektowej gdy istnieje on jeszcze w przestrzeni wirtualnej, a wi臋c zanim poniesiemy koszty wykonania prototypu fizycznego.


漏 Wave-Test

鈥 Jak wygl膮da praca z symulatorem 3D-EM?

鈥 Praca z takim programem obejmuje dwa etapy. Pierwszy etap to modelowanie struktury 3D, kt贸r膮 chcemy podda膰 analizie. Tak膮 struktur膮 mo偶e by膰 np. antena na p艂ytce PCB lub antena w postaci zewn臋trznego elementu promieniuj膮cego, dla kt贸rej chcemy wyznaczy膰 dopasowanie w pasmie cz臋stotliwo艣ci, zysk lub charakterystyk臋 kierunkow膮. Innym przyk艂adem obiektu mo偶e by膰 filtr mikropaskowy z dodatkowymi elementami SMD. Mo偶na r贸wnie偶 bada膰 kompletn膮 p艂ytk臋 PCB pod k膮tem emisji zak艂贸ce艅 lub wra偶liwo艣ci na zak艂贸cenia zewn臋trzne. Elementem modelowanym mo偶e by膰 r贸wnie偶 obudowa urz膮dzenia, kt贸r膮 chcemy oceni膰 pod k膮tem szczelno艣ci elektromagnetycznej.

Modelowanie struktury polega na odtworzeniu jej kszta艂tu 3D w przestrzeni wirtualnej przy pomocy wbudowanego modelera przypominaj膮cego funkcjonalno艣ci膮 typowe programy do projektowania CAD. Je偶eli jest dost臋pny gotowy model 3D utworzony w programie CAD mo偶na go zaimportowa膰 do CST STUDIO w jednym z wielu obs艂ugiwanych format贸w.

Nast臋pnie nale偶y zdefiniowa膰 materia艂y z jakich wykonane s膮 elementy analizowanej struktury. Materia艂y mo偶emy wybiera膰 z bogatej biblioteki w艂asnej CST STUDIO. Obejmuje ona ca艂y szereg metali i dielektryk贸w, idealnych i stratnych. Mo偶na r贸wnie偶 definiowa膰 materia艂y w艂asne na podstawie znanych parametr贸w materia艂owych, takich jak 蔚, 渭, 蟽, tg(未), w tym r贸wnie偶 materia艂y anizotropowe. W przypadku importu p艂ytek PCB ze 艣rodowisk projektowych EDA materia艂y metalizacji i pod艂o偶a importowane s膮 automatycznie.

W utworzonej strukturze 3D definiujemy porty elektryczne do kt贸rych pod艂膮czamy 藕r贸d艂a napi臋ciowe lub pr膮dowe o okre艣lonej charakterystyce czasowej lub cz臋stotliwo艣ciowej. Do port贸w mo偶emy pod艂膮cza膰 te偶 inne elementy obwodowe, liniowe i nieliniowe, bierne i aktywne, kt贸re mog膮 zast臋powa膰 cz臋艣膰 uk艂adu wyst臋puj膮c膮 poza modelowan膮 struktur膮 3D. Dodatkowe elementy pod艂膮czane do port贸w to wirtualne mierniki napi臋cia oraz pr膮du, a wok贸艂 struktury mo偶na rozmie艣ci膰 tak偶e monitory pola.

Po etapie modelowania przechodzimy do etapu symulacji. Pierwszy krok to wyb贸r odpowiedniego solvera, czyli algorytmu symulacyjnego b臋d膮cego najcz臋艣ciej implementacj膮 r贸wna艅 Maxwella uzupe艂nionych o standardowe r贸wnania obwodowe dotycz膮ce przep艂yw贸w pr膮d贸w i spadk贸w napi臋膰. Dwa podstawowe solvery spo艣r贸d kilkunastu oferowanych przez CST STUDIO to "T - Time Domain Solver" i "F- Frequency Domain Solver". Po wyborze solvera nast臋puje proces siatkowania (meshing) polegaj膮cy na podziale struktury na kom贸rki elementarne czworo艣cienne (tetrahedral mesh) lub prostopad艂o艣cienne (hexahedral mesh). Po zako艅czeniu siatkowania rozpoczyna si臋 etap w艂a艣ciwej symulacji, kt贸ry w zale偶no艣ci od stopnia skomplikowania struktury i jej rozmiar贸w oraz mocy obliczeniowej komputera mo偶e trwa膰 od kilku minut nawet do kilkudziesi臋ciu godzin.

Wynikiem dzia艂ania programu s膮 rozk艂ady napi臋膰 i pr膮d贸w w uk艂adzie oraz rozk艂ad pola elektromagnetycznego w otaczaj膮cej przestrzeni. Mo偶liwe s膮 r贸wnie偶 bardziej zaawansowane typy wynik贸w uzyskiwane w drodze postprocessingu, takie jak np. widmo sygna艂u wytwarzanego w uk艂adzie, charakterystyka t艂umienia filtru w funkcji cz臋stotliwo艣ci, charakterystyka promieniowania anteny w strefie dalekiej i w strefie bliskiej, tzw. diagram oka (eye diagram) dla sygna艂u cyfrowego, mapa impedancyjna uk艂adu zasilania p艂ytki PCB, itp.

鈥 Czy symulator elektromagnetyczny 3D mo偶e by膰 pomocny w rozwi膮zywaniu problem贸w EMC?

鈥 Wielu u偶ytkownik贸w CST STUDIO stosuje ten program jako narz臋dzie pozwalaj膮ce unikn膮膰 potencjalnych problem贸w EMC ju偶 na etapie projektowania urz膮dzenia. Uniwersalno艣膰 programu pozwala stosowa膰 go do wst臋pnej oceny emisyjno艣ci i wra偶liwo艣ci zar贸wno promieniowanej jak i przewodzonej. CST STUDIO pozwala na wczesnym etapie zlokalizowa膰 miejsca krytyczne pod k膮tem EMC oraz przetestowa膰 skuteczno艣膰 proponowanych 艣rodk贸w zaradczych. W przypadku dost臋pnej bardzo mocnej platformy sprz臋towej PC (np. klaster serwer贸w wyposa偶onych w mocne karty graficzne Nvidia i po艂膮czonych sieci膮 InfiniBand) mo偶na si臋 nawet pokusi膰 o wykonanie kompletnego badania kompatybilno艣ci elektromagnetycznej EMC dla urz膮dzenia b臋d膮cego jeszcze na etapie prototypu wirtualnego.

鈥 Dzi臋kuj臋 za rozmow臋!
reklama
reklama
reklama
reklama
Za艂aduj wi臋cej news贸w
December 13 2018 13:08 V11.10.14-2