Báo cáo nghiên cứu khoa học: " MÔ PHỎNG TRƯỜNG ĐIỆN TỪ TRUYỀN TRONG TẾ BÀO TEM BẰNG HỆ THỐNG TLM-3D" ppt

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 1 MÔ PHỎNG TRƯỜNG ĐIỆN TỪ TRUYỀN TRONG TẾ BÀO TEM BẰNG HỆ THỐNG TLM-3D SIMULATING THE PROPAGATION OF AN ELECTROMAGNETIC FIELD IN A TEM CELL USING TLM-3D SYSTEM Tăng Tấn Chiến Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Trong bài báo này, chúng tôi giới thiệu một tế bào điện từ ngang (TEM: Transverse Electromagnetic) dùng để đo các vấn đề về tương thích điện từ (EMC: Electromagnetic Compatibility). Ma trận đường truyền (TLM: Transmission Line Matrix) cung cấp phương pháp hiệu quả để giải quyết các vấn đề trong mạng này. Việc khai thác phương pháp TLM rất quan trọng về phương diện tổng quát cũng như lý thuyết đường truyền. Trên cơ sở nghiên cứu các kiểu nút 3D, thu ật toán của phương pháp TLM được sử dụng để tính toán toán lưới nhằm xác định số nút và các dữ liệu lưới khác của một tế bào TEM. Mô hình bằng số này sẽ cho các đáp ứng cả trong miền tần số lẫn thời gian; ảnh hưởng của sự biến dạng của xung tới, việc mô phỏng sự truyền sóng trong miền thời gian và trong miền tần số sẽ được đề cập. Sự truy ền của trường điện từ trong tế bào được thực hiện bằng mô phỏng ABSTRACT This paper presents a special TEM (Transverse Electromagnetic) cell for EMC (Electromagnetic Compatibility) measurements. TLM (Transmission Line Matrix) provides a systematic and efficient procedure for solving network problems. It is therefore important to summarize the aspects of transmission line theory that are essential in understanding the implementation of TLM. In the study of 3D node types, the algorithm of TLM method is used in net calculation to determine the number of nodes and other net parameters of the TEM cell. The numerical model provides responses both in frequency and time domain. The influence of variations in the shape of the incident pulse, numerical simulation of wave propagation in the frequency and time domain are also mentioned in this paper. The propagation of an electromagnetic field in the TEM cell is simulated. 1. Đặt vấn đề Trên cơ sở lý thuyết đường truyền và lý thuyết về phương pháp TLM như đã trình bày ở một bài báo trước [5], hệ thống mô hình của một tế bào được xây dựng để tính toán mô phỏng sự truyền của trường điện từ trong tế bào sao cho sóng phẳng truyền trong nó là sóng TEM (sóng điện từ ngang) [6], với mục đích sử dụng tế bào này làm một thiết bị thử nghiệm gọi là tế bào TEM [1]. Hệ thống mô phỏng TLM-3D của Labo. LEMO - Đại học Bách khoa Quốc gia Grenoble (INPG) - Cộng hoà Pháp được sử dụng để tổ chức mô phỏng [2]. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 2 2. Chuẩn bị dữ liệu 2.1. Thiết lập mô hình hình học của tế bào Tế bào được mô hình hoá như một thiết bị xác định trong không gian ba chiều với các kích thước: Xmax = 330 mm; Ymax = 150 mm; Zmax = 90 mm. Trong đó, chiều dài của tế bào là 300 mm (không kể hai bộ nối gắn liền ở hai đầu của tế bào). Các mặt phẳng và xiên chung quanh tế bào đều cấu tạo bằng kim loại cùng hệ số phản xạ bằng -1, các mặt xiên được cấu tạo theo kiểu bậc thang, bản kim loại trung tâm cũng được bố trí thành mặt phẳng ngang đặt ngay chính giữa tế bào làm cùng kim loại với các mặt chung quanh. Vùng điện môi bên trong tế bào là không khí với  r = 1,  r = 1,  = 0. Hai đầu mút của hai bộ nối là vách hấp thu đối với các sóng phẳng cùng hệ số phản xạ bằng 0 [2]. Bộ nối liên thông của tế bào được nối với một cáp đồng Hình 1. Sơ đồ tổ chức mô phỏng TLM-3D Hình 2. Mô hình của tế bào d c y a c b c w c  r z 0 Hình 3. Cáp truyền đồng trục chữ nhật TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 3 trục chữ nhật cùng trở kháng chuẩn Z cáp = 50 , truyền các kiểu sóng TEM, kích thước của cáp như hình 3. Bề rộng w c của cáp được tính theo công thức: [3] Với: mm, mm , d c  b c ,  r =1 , Z cap = 50 . Tính được: mm. Việc tính chiều dài của cáp nối ở phía trước tế bào được dựa trên cơ sở loại tín hiệu kích thích được chọn. Chiều dài của cáp từ nguồn kích thích tín hiệu đến tế bào được chọn lớn hơn hoặc bằng quãng đường truyền cuả tín hiệu tới và phản xạ. Sau khi thiết lập xong mô hình tế bào nối với cáp đồng trục, để chuẩn bị tiếp dữ liệu cho việc mô phỏng, các bước được tiến hành theo trình tự sau:  Kích thích: Xác định vị trí đặt nguồn phát tín hiệu gốc. Vùng kích thích được xác định bởi Xmin, Xmax; Ymin, Ymax; Zmin, Zmax với Xmin=Xmax, Ymin=Ymax và các giá trị của các thành phần kích thích E x , E y , E z , H x , H y , H z . Để đơn giản, chọn thành phần E z .  Trường ngõ ra: Các thành phần khác nhau của trường được tính toán trong những mặt phẳng hoặc một phần của mặt phẳng trong tế bào. Các mặt phẳng được xác định bởi Xmin, Xmax; Ymin, Ymax; Zmin, Zmax với Xmin=Xmax hoặc Ymin=Ymax hoặc Zmin=Zmax và xác định thành phần nào của trường trong các thành phần E x , E y , E z , H x , H y , H z hoặc tất cả các thành phần trên, ví dụ chọn hai thành phần E x và E z . Các thành phần của trường có được, hoặc là trong miền thời gian, hoặc là trong miền tần số (dùng biến đổi Fourier). Có thể xác định kiểu mô phỏng đối với các thành phần của trường là thời gian, tần số hoặc hỗn hợp cả hai, trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, kiểu hỗn hợp được chọn.  Đường bao điện áp: Để tính tích phân của điện trường trong khi mô phỏng, đường bao điện áp được xác định bằng cách xác định các toạ độ min, max trên 3 trục. Các toạ độ này được xác định là một trục (chỉ với XminXmax hoặc chỉ với YminYmax hoặc chỉ với ZminZmax).  Đường bao dòng điện: Để tính tích phân của từ trường trong khi mô phỏng, đường bao dòng điện được xác định bằng cách xác định các toạ độ min, max trên 3 trục. Các toạ độ này được xác định là một mặt phẳng. Hình 4. Tế bào nối với cáp truyền TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 4 Với dải tần số làm việc của tế bào nghiên cứu là: 0 – 1GHz, chọn Fmin = 0, khoảng cách bước tần số DFRQ = 0.005, số điểm N.FRQ = 201. 2.2. Thực hiện lưới Lưới trong tế bào được đan một cách tự động bởi sự gián đoạn hoá theo bước biến đổi trên ba trục, bước này phụ thuộc vào các yếu tố cấu tạo nên tế bào: điện môi, kim loại và tần số. Thực hiện việc đan lưới tự động, sau đó nhập tần số tối đa, khoảng cách tối thiểu của lưới D lmin , khoảng cách tối đa của lưới D lmax . Sau khi nhập dữ liệu, việc tính toán lưới được tiến hành để xác định số nút theo ba chiều là N x ; N y ; N z và dung lượng nhớ cần thiết để mô phỏng. Kiểm tra lưới, trên cơ sở đó hiệu chỉnh lại các thông số trong file FMAIL **. cho phù hợp với vị trí của lưới. Chức năng “Số lần lặp - Dung lượng nhớ” sẽ hiển thị các thông số mô phỏng của lưới. 2.3. Tạo nguồn phát tín hiệu Tín hiệu kích thích là một hàm theo thời gian với bước gián đoạn t. Tín hiệu này được truyền trên đường truyền để khảo sát đáp ứng của mạch đối với kích thích. Chọn một trong các kiểu tín hiệu kích thích sau: Xung Dirac, hàm bậc dương, hàm bậc âm, xung Gauss, tín hiệu hình sin, xung vuông. Việc lựa chọn kiểu kích thích phụ thuộc vào nhiều thông số: Kiểu cấu trúc nghiên cứu, dải tần số làm việc Để các đường truyền kiểu cận-TEM có thể truyền cá c sóng có tần số Fmin = 0, chọn kiểu kích thích có phổ tần rộng, một tín hiệu thay đổi theo thời gian dạng xung Gauss là thích hợp nhất cho việc phân tích này [2]. 2.4. Tạo các file chấp hành  Lưu file lưới: Lưu file lưới với tên Fmail**.tlm. Kiểm tra lưới, hiệu chỉnh ngay những bất hợp lý của dữ liệu lưới trong file Fmail**.tlm  Các thông số mô phỏng: Chuẩn bị để thực hiện mô phỏng TLM. + Các thông số về dữ liệu và dung lượng nhớ. + Chương trình nạp tự động các file. Hình 5. T ín hiệu kích thích TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 5 Chương trình nạp các file cũng được tạo bởi DIS-3D gọi là TLM.BAT, chương trình này thực hiện 3 bước:  Copie Param**.tlm trong Param.tlm  Biên dịch các chương trình : TLM3D.FOR, TLMMAIL.FOR và TLMSUB.FOR  Chạy chương trình. 3. Mô phỏng và các File đạt được (TLM-3D) 3.1. Chạy chương trình Chạy chương trình TLM.BAT để thực hiện mô phỏng, chương trình sẽ biên dịch, thi hành, nạp các File FMAIL**.TLM và FGENE**.TLM 3.2. Các File kết quả Các thành phần của trường. Các File của trường theo thời gian: Ex****.tmp, Hx****.tmp Ey****.tmp, Hy****.tmp Ez****.tmp, Hz****.tmp Các File của trường theo tần số: Ex****.frq, Hx****.frq Ey****.frq, Hy****.frq Ez****.frq, Hz****.frq Các thành phần điện áp và dòng điện. Các File của điện áp và dòng điện theo thời gian: Vx****.tmp, Jx****.tmp Vy****.tmp, Jy****.tmp Vz****.tmp, Jz****.tmp Các File của điện áp và dòng điện theo tần số: Hình 6. Tế bào TEM với các dữ liệu lưới TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 6 Vx****.frq, Jx****.frq Vy****.frq, Jy****.frq Vz****.frq, Jz****.frq 4. Khai thác kết quả (TLM-CAD) TLM-CAD làm nhiệm vụ hiển thị và sử dụng các kết quả mô phỏng để xác định các thông số S ij hoặc xem các điện áp hoặc dòng điện trong hệ thống nghiên cứu. Việc truyền năng lượng tín hiệu qua tế bào được đánh giá bởi các thông số S ij . Một tế bào siêu cao tần có thể được đặc trưng bởi các thông số S ij trong miền tần số hoặc bởi đáp ứng xung phản xạ và truyền của nó trong miền thời gian. Phần khai thác các kết quả mô phỏng: Tín hiệu phát ra từ nguồn được truyền trên cáp đồng trục đến tế bào bị phản xạ trở về phía nguồn, tín hiệu thu được tại mặt phẳng P gồm cả tín hiệu tới và tín hiệu phản xạ (P: mặt phẳng chứa đường bao điện áp và dòng điện được xác định tại một vị trí nằm trong khoảng từ nguồn đến tế bào). Hình 7. Sóng tới và sóng phản xạ V z theo thời gian Hình 9. Mô đun của S 11 (dB) theo tần số (GHz) Hình 8. Sóng truyền qua tế bào Hình 10. Mô đun của S 21 (dB) theo tần số (GHz) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 7 Đánh giá kết quả mô hình lý thuyết và thực nghiệm bởi hệ số sóng đứng (SWR: Standing wave ratio): Trong lý thuyết đường truyền, để đặc trưng cho sự phản xạ của một DUT (Device Under Test), biểu thị cho công suất được truyền đến tải, người ta căn cứ vào hệ số sóng đứng [3]. Kết quả nghiên cứu của hệ số sóng đứng được đánh giá dựa trên bảng chuẩn 1. Bảng 1. Các giá trị tương ứng của hệ số phản xạ  và P/P o theo SWR [30] SWR 1 1,066 1,22 1,92 3,00 5,83 9,00 19,0   0 0,032 0,10 0,32 0,50 0,71 0,80 0,90 1 P/P o 1 1 0,99 0,90 0,75 0,50 0,36 0,19 0 P/P 0 : Tỉ số giữa công suất tiêu tán trên tải và công suất phát ra từ nguồn 5. Kết quả và thảo luận Mô hình tế bào TEM với các kích thước hình học theo yêu cầu và tần số cắt 1GHz đã được thực hiện, việc phối hợp trở kháng giữa cáp truyền tín hiệu và tế bào đã được tính toán phù hợp [4]. Tuy nhiên, các cạnh xiên và bản trung tâm của tế bào được thiết lập dưới dạng bậc thang cũng sẽ có ảnh hưởng nhất định đến chất lượng tín hiệu truyền trong tế bào. Dù việc kiểm tra và hiệu chỉnh các số liệu lưới cũng đã được tiến hành kỹ lưỡng nhưng bước lưới bị giới hạn ở D l = 2mm để có thể tính toán nhanh nên kết quả tính toán cũng sẽ có những hạn chế nhất định, chưa kể đến những sai số của bản thân phương pháp TLM, nếu giảm bước D l theo điều kiện D l   thì các đặc tính của sóng truyền trong tế bào sẽ cho kết quả tốt hơn. Tế bào được mô hình hoá bằng một đường truyền có trở kháng đặc tính thay đổi theo tần số như ở hình 11, điều này cho thấy việc phối hợp trở kháng trong hệ thống là khó khó khăn. Do tế bào là loại đối xứng Hình 11. Trở kháng đặc tính (Ω) của tế bào theo tần số (GHz) Hình 12. Hệ số sóng đứng của tế bào TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 8 nên chúng ta chỉ cần khảo sát các thông số tán xạ S 11 và S 21 . Việc đánh giá kết quả mô phỏng được thể hiện bởi hệ số sóng đứng của tế bào trong hình 12 [3]. 6. Kết luận Với phương pháp mô phỏng TLM, chúng ta có thể xây dựng được các mô hình tế bào có kích thước khác nhau làm việc trong các dải tần số khác nhau theo yêu cầu của đối tượng cần thử nghiệm (phụ thuộc vào công cụ tính toán). Một mô hình dựa trên cơ sở lý thuyết đường truyền đã được thiết lập, mô hình này có khả năng cho sóng điện từ lan truyền như một đường đồng trục, với kết quả mô phỏng đã đạt được thì sóng điện từ lan truyền dọc theo dải dẫn gần như chỉ có thành phần ngang (do tổn hao trên dải dẫn này không đáng kể) nên tế bào nghiên cứu này được gọi là tế bào TEM. Ưu điểm là nó cho phép mô phỏng tính toán sự phân bố của trường lan truyền bên trong cấu trúc, cụ thể là mô phỏng một sóng TEM ở bên trong cấu trúc. Mô hình hình học này được dùng như một thiết bị thử nghiệm, việc chuẩn bị dữ liệu để mô phỏng đã được tính toán và vận dụng lý thuyết hợp lý. Với kết quả tính toán mô phỏng đã đạt được thì tế bào thực tế sẽ là một công cụ rất tốt để đo những vấn đề về tương thích điện từ trong lĩnh vực siêu cao tần. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Pierre Degauque & Joel Hamelin, Electromagnetic Compatibility, Oxford University Press, 1993 [2] Labo. LEMO, Simulation TLM-3D, ENSERG - INPG, France [3] Brian C. Wadell, Transmission Line Design Handbook, Artech House Publishers, 1991 [4] Institut européen de recherche sur les systèmes électroniques pour les transports - CEM COMPO 99, Séminaire sur la Compatibilité Electromagnétique des circuits intégrés, Toulouse, France, 1999 [5] Tăng Tấn Chiến, Mô phỏng sự truyền của trường điện từ bằng phương pháp TLM, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các Trường Đại học Kỹ thuật, Số 30+31/2001, pp. 20-25, 2001 [6] Takao Tsuchiya, Numerical Simulation of Sound Wave Propagation with Sound Absorption Using Digital Huygens' Model, Department of Information Systems Design, Doshisha University, Kyotanabe, Kyoto 610-0321, Japan, published online July 26, 2007 (Japanese Journal of Applied Physics) . xây dựng để tính toán mô phỏng sự truyền của trường điện từ trong tế bào sao cho sóng phẳng truyền trong nó là sóng TEM (sóng điện từ ngang) [6], với mục đích sử dụng tế bào này làm một thiết. kể) nên tế bào nghiên cứu này được gọi là tế bào TEM. Ưu điểm là nó cho phép mô phỏng tính toán sự phân bố của trường lan truyền bên trong cấu trúc, cụ thể là mô phỏng một sóng TEM ở bên trong. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 1 MÔ PHỎNG TRƯỜNG ĐIỆN TỪ TRUYỀN TRONG TẾ BÀO TEM BẰNG HỆ THỐNG TLM-3D SIMULATING THE PROPAGATION