PracticaemGine 371KB Nov 07 2013 07:15:45 PM

Universidad Nacional de Mar del Plata – Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Electrónica
Laboratorio de Comunicaciones
MEDIOS DE TRANSMISION
Simulación de guías de onda usando emGine
Objetivo.
El objetivo del presente trabajo es analizar el funcionamiento de una guía de onda usando un software de
electromagnetismo en su versión libre: emGine. Este software tiene similitudes con softwares comerciales (tales
como Ansoft HFSS y Microwave Studio) en su forma de configurar las simulaciones.
Desarrollo.
emGine es un software de electromagnetismo que permite simular electromagnéticamente una geometría en tres
dimensiones.
Para evaluar una geometría usando este software es necesario definir varios aspectos:
• Materiales (Materials): se pueden definir las propiedades de los materiales, tales como la permitividad,
permeabilidad y conductividad.
• Geometría (Geometry): el conjunto de los cuerpos de diferente geometría que son el objeto de estudio se
encuentran agrupados aquí. Los mismos pueden ser tanto figuras geométricas en dos (por ejemplo: un rectángulo)
y tres dimensiones (por ejemplo: un paralelepípedo).
• Excitaciones (Excitations): se definen el conjunto de excitaciones para el estudio de la geometría (puertos,
ondas planas, etc).
• Medidores (Probes): se pueden solicitar mediciones, tales como parámetros S, valores de los campos
eléctromagnéticos, entre otros.
• Resultados (Results): se pueden visualizar diferentes gráficos (rectangulares, polares, ábacos de Smith,
vectores) y se dibujan los diferentes resultados (parámetros S, parámetros Z, campos electromagnéticos).
Para realizar una primera aproximación a este software haremos la simulación de una guía de onda.
La pantalla inicial del software emGine que se observa en la siguiente figura posee un proyecto inicial llamado
proyecto. Un proyecto consiste en todos los elementos mencionados anteriormente (geometría, excitaciones,
resultados), y permite almacenar un estudio sobre un diseño particular. El proyecto lo hemos creado usando la
opción del menú superior File→New Project. Se pueden definir las unidades de longitud, frecuencia y tiempo que
se usarán en el diseño y los experimentos.
Lo primero que haremos es definir las fronteras del
análisis. Para ello iremos a la opción
Simulation→Surrounding Space del menú superior. Las fronteras irán desde 0mm a 40mm en el eje X, desde 0mm
a 15mm en el eje Y, y desde 0mm a 7.5mm en el eje Z.
En esta simulación usaremos las fronteras como las paredes de la guía de onda. Por ello, definiremos diferentes
condiciones de frontera para cada una de las seis caras que conforman este paralelepípedo de 40x15x7.5
milímetros. Para ello iremos a la opción Simulation→Boundary Conditions. Las caras de los extremos del eje X las
definiremos como absorbentes y abiertas. Esto significa que las ondas que lleguen a estas caras no tendrán
reflexiones, y en consecuencia se comportaran como si la geometría se extendiera infinitamente en ambas
direcciones del eje X. Por otra parte, el resto de las caras las definiremos como conductores perfectos (PEC), y de
esta manera estaremos estudiando una guía de onda rectangular ideal. En este punto, a pesar de no haber
definido ninguna geometría, tenemos las condiciones para evaluar el funcionamiento de una guía de onda
rectangular.
Mediante la opción Solver → Setup definiremos las condiciones de la simulación. En este caso definimos la
precisión de la simulación (-50dB) y el máximo número de pasos del cálculo iterativo (8000). Estos dos parámetros
son particulares de este software, y deben ser estudiados para cada software en particular para conocer que
implican distintos valores de los mismos. La frecuencia de estudio va desde 0.1 GHz hasta 35 Ghz, y la resolución
espacial es de 25 celdas por longitud de onda.
Para poder estudiar esta geometría y obtener resultados, es necesario definir una excitación. En este caso
definiremos dos puertos de excitación de modos TE10, con el objeto de obtener resultados para este tipo de
excitación. Para ello iremos a la opción Excitation→Model Port, y definiremos un puerto para cada cara en los
extremos del eje X.
El diseño que se obtiene en este punto es el que se observa en la siguiente figura. Se puede ver el paralelepípedo,
y las dos caras que son los puertos con las excitaciones del modo TE10. Si en este punto se ejecuta la opción de
Simulación (Simulate!), se obtendrán un conjunto de resultados. En la figura inferior se puede ver el progreso de la
simulación (en este caso, 14.62%).
Si se hace click en Results→ dB(|S|) se obtiene un gráfico en dB del módulo de los parámetros S para los dos
puertos que se definieron: S11, S21, S12 y S22. Se puede observar que aproximadamente para la frecuencia de
10GHz se comienza a propagar por la guía de onda el modo TE10. Se puede comprobar que en teoría la
frecuencia de corte de esta guía se obtiene de la siguiente expresión:
Si definimos a n como 1 y a m como 0 (TE10), y la dimesión y1 corresponde a 15mm (0.015m), la frecuencia de
corte resulta en fc=3E8/(2*0.015)=10GHz.
Si se define un EM field probe mediante la opción Probes EM Field Visualization, se puede obtener un gráfico de
los campos en la geometría. En este caso hemos elegido visualizar los campos para una frecuencia de 15GHz,
por encima de la frecuencia de corte de la guía de onda.
Si ejecutamos de nuevo la simulación, podremos visualizar tal como se observa en la siguiente figura los campos
eléctrico (izquierda) y magnético (derecha). Estos gráficos también están disponibles en los resultados (Results).
Para hacer.
a) Realice la simulación para las guías de onda de los ejercicios 1 y 5.
b) Visualice los parámetros S y los campos electromagnéticos.
c) Presente los archivos de simulación a los miembros de la cátedra.