Laboratorio Simulador Electromagnético (CST)

Circuitos de Radiofrecuencia 2016
Laboratorio Simulador Electromagnético (CST)
27 de septiembre de 2016
IIE, Facultad de Ingenierı́a, Universidad de la República
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Circuitos de Radiofrecuencia 2016
Índice
1. Objetivos
3
2. Introducción
3
3. Preinforme
3
4. Uso básico de CST
4
5. Adaptación con microstrip
6
6. Guı́a de Onda Coplanar
7
A. Simulación Microstrip
9
B. Simulación lı́nea coplanar
11
B.1. Sin conectores SMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
B.2. Con conectores SMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
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1.
Objetivos
El objetivo general de este laboratorio es conocer algunas de las facilidades que tiene un
simulador electromagnético. En particular se pretende:
Conocer el simulador electromagnético CST MICROWAVE STUDIO.
Visualizar en dicho simulador el funcionamiento de estructuras tipo microstrip y
guı́a de onda coplanar.
Utilizar el simulador para verificar un diseño de microstrip y guı́a de onda coplanar
dadas por los docentes.
2.
Introducción
Un simulador electromagnético a partir del método de elementos finitos resuelve las
ecuaciones de Maxwell calculando los campos eléctricos y magnéticos 3D.
Para el presente laboratorio, el simulador electromagnético a utilizar será el CST STUDIO SUITE (www.cst.com). CST (Computer Simulation Technology) es una empresa
que desarrolla el software para la simulación de campos electromagnéticos en estructuras
tridimensionales arbitrarias.
Este simulador comprende los siguientes módulos:
CST MICROWAVE STUDIO
CST EM STUDIO
CST PARTICLE STUDIO
CST CABLE STUDIO
CST PCB STUDIO
CST MPHYSICS STUDIO
CST DESIGN STUDIO
El módulo de interés en esta práctica es el primero de los mencionados. Este módulo
es una herramienta rápida y precisa para simulaciones en 3D de dispositivos de alta
frecuencia. Además es un software lı́der en el mercado de simulaciones en el dominio del
tiempo. Permite el análisis rápido y preciso de antenas, filtros, acopladores, estructuras
planas y de múltiples capas y efectos SI y EMC, etc..
3.
Preinforme
Se deberá traer al laboratorio un preinforme con los siguientes cálculos de las estructuras
que se simularán durante la práctica.
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1. Tener presente el Problema 5 de la Hoja de Ejercicios 1.
2. Se considera una guı́a de onda coplanar con las caracterı́sticas que se describen a
continuación. Simularla en QUCS y determinar la impedancia caracterı́stica de la
guı́a de onda. Para caracterizarla, se simulará durante el laboratorio a 2,4 GHz.
Caracterı́sticas:
S = 0,152 mm
W = 0,82 mm
H = 1,59 mm
L = 37 mm
t = 34,1 µm
r = 4,2
Figura 3.1: Grounded Coplanar Waveguide
4.
Uso básico de CST
Al abrir el programa CST aparecerá una pantalla como se muestra en la figura 4.1. Aquı́
podrán abrir un archivo existente o crear uno nuevo.
En caso de crear un archivo nuevo, deberán elegir el módulo según el sistema que se
quiere simular, figura 4.2. Para este laboratorio el entorno para simular es Microwave &
RF Components.
Elegido el módulo, se pasa a la pantalla que se muestra en la figura 4.3 y se elige una de
las opciones dadas. En esta práctica se usa Circuits and Components.
Luego se selecciona la plantilla que más se ajusta al sistema a simular, figura 4.4. Para
las lı́neas a simular en esta práctica se eligió la plantilla Planar Couplers & Dividers.
Por último se setean las configuraciones relacionadas con tipo de dominio de simualción,
frecuencia, unidades, etc..
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Figura 4.1: Pantalla inicio de CST
Figura 4.2: Módulos disponibles de entornos de simulación de CST.
Finalizada la etapa de configuraciones, se verá en pantalla lo que se muestra en la figura
4.5. Aquı́ es donde se comienza a dibujar el diseño que se desea simular.
Como puede observarse en la figura 4.5 en la parte superior de la pantalla están las pestañas que contienen las funcionalidades deseadas. Las opciones están agrupadas según
las distintas etapas del proyecto; por ejemplo, Modeling, Simulation, Post Simulation,
etc..
Además, la pantalla está subdividida en diferentes ventanas. En Navigation tree se encuentran los componentes diseñados, los puertos, los resultados de las simulaciones, entre
otras cosas. En la ventana Parameter List se puede detallar la magnitud de los diferentes
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Figura 4.3: Opciones para elegir qué de circuitos o componentes se simulará.
Figura 4.4: Plantilla para simular.
parámetros que involucran el diseño de la estructura a simular. Estos parámetros pueden
ser modificados en cualquier momento y para aplicarlos al componente diseñado debe
apretarse la tecla F7. En Progress puede visualizarse el progreso y mensajes de error
durante la simulación.
5.
Adaptación con microstrip
El objetivo de esta parte es verificar el diseño realizado con microstrip para adaptar una
carga de 75 Ω a una de 50 Ω a través de un transformador de cuarta longitud de onda
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Figura 4.5: Pantalla de CST para comenzar a diseñar el sistema a simular.
y visualizar su funcionamiento en CST.
Nota: En el anexo A encontrará la información necesaria sobre cómo usar el Software
para realizar la práctica.
1.
Con el modelo de microstrip dado por los docentes del curso (Archivo “Ejercicio 1”), verificar si el diseño coincide con lo calculado.
Simular el diseño dado y contrastar lo obtenido en la simulación con los valores
esperados de impedancia vista (desde el Puerto 1) y de S11.
2.
Modificar la constante dieléctrica del sustrato a los valores r =(3.3,5.3) y
observar qué sucede con el S11 y la impedancia vista desde el Puerto 1.
En las condiciones iniciales, observar cómo se comportan los campos eléctrico
y magnético.
Modificar la impedancia de carga a 7500 Ω. Observar cómo se modifican el
S11 y el patrón de los campos eléctrico y magnético en la simulación.
En estas condiciones, cambiar el largo de la lı́nea para que la misma sea λ.
Simular y observar los campos.
Ahora, modificar la impedancia de la carga para que tenga el mismo valor que
la impedancia caracterı́stica de la lı́nea. Nuevamente, observar el comportamiento de los campos.
6.
Guı́a de Onda Coplanar
El objetivo de esta parte del laboratorio es simular una estructura de lı́nea de tipo guı́a
de onda coplanar que luego ser caracterizará experimentalmente en el Laboratorio de
Analizador Vectorial de Redes.
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1. Simular la guı́a de onda coplanar dada por los docentes en el archivo “Ejercicio
2”) y comparar el resultado con lo simulado en QUCS.
2. Se incluirá en la simulación el efecto de los conectores SMA que se conectan a la
lı́nea, modelándolos con el modelo de la figura 6.1. Ver como cambia el resultado.
A 2,4 GHz
En la banda de frecuencia entre 300 kHz y 8 GHz.
Figura 6.1: Modelo para los conectores SMA.
Nota: En el anexo B encontrará la información necesaria sobre cómo usar el Software
para realizar las simulaciones solicitadas.
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Anexos
A.
Simulación Microstrip
En esta sección se detallan los pasos que deberán seguirse durante el laboratorio para
simular la adaptación con lı́nea microstrip que será dada por los docentes del curso.
1. Descargar el archivo “Ejercicio 1”de la página del curso.
2. Abrir el programa CST. Hacer click en Open y abrir la lı́nea microstrip descargada.
3. Para simular deberá elegirse un Setup Solver que en este caso será Time Domain
Solver. Ası́ se simulará en el dominio del tiempo.
4. Luego hacer click sobre la pestaña Start Simulation. Aquı́ comienza la simulación
y en Progress se verá el progreso de la misma.
Finalizada la simulación, en la ventana Navigation Tree se tienen los resultados
obtenidos, ver figura A.1.
Figura A.1: Resultados de la simulación en Navigation Tree.
5. Ir a la parte 1D Results. Ahı́ podrá encontrarse, entre otras cosas, el resultado para
el coeficiente de reflexión, S11.
6. Para determinar la impedancia de entrada vista desde el puerto 1, ir a la pestaña
Post processing y seleccionar S-Parameter Calculations. Y luego hacer click en
Calculate Z and Y Matrices. El resultado aparecerá en Navigation Tree.
Para modificar un parámetro de los componentes, deberá seleccionarse el componente
correspondiente y al hacer doble click sobre el mismo aparecerá un cuadro como el que se
muestra en la figura A.2. Seleccionar Define brick y luego Edit. A continuación aparecerá
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la ventana que se muestra en la figura A.3.
Figura A.2: Acceso a editar propiedades de un componente.
Figura A.3: Ventana para editar propiedades de un componente.
Si se quiere modificar la constante dieléctrica del sustrato, abrir el campo Materials en
Navigation Tree y elegir con doble click el material que quiere modificarse.
Una de las funcionalidades más interesantes que posee este Software a los efectos del curso, es la posibilidad de observar el comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos.
Para esto, si no se hizo antes, debe definirse qué campos quieren verse y a qué frecuencia.
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Ir a la pestaña Simulation y luego ir a Field Monitor.
Para observar el comportamiento de los campos, luego de simular, en la sección 2D/3D
Results en Navigation Tree aparecerán los resultados. Elegido el campo que se quiere
visualizar, seleccionar Smart Scaling y luego Animate Fields.
B.
B.1.
Simulación lı́nea coplanar
Sin conectores SMA
Para la simulación de la lı́nea coplanar sin el modelo de los conectores, las funcionalidades a utilizar serán las mismas que en el caso anterior.
B.2.
Con conectores SMA
En la simulación con el agregado del modelo de los conectores SMA, se deberá pasar
a la parte Schematic en la ventana de trabajo. Luego ir a Task y elegir S-Parameter
Calculation. Los resultados aparecerán en Navigation Tree.
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