1. Введение. Общая характеристика программы OpenEMS 3
2. Уравнения и численная схема 6
3. Ход установки и настройки OpenEMS 12
4. Моделирование характеристик спиральной антенны 16
5. О ParaView 31
Заключение 32
Литература 33
OpenEMS - это симулятор электромагнитного поля, предназначенный для расчёта распределения электромагнитного поля в различных системах.
С помощью OpenEMS можно, в частности, проводить такие виды расчётов:
1) расчёт напряженностей электромагнитного поля в 3-мерном пространстве в ближней и дальней зоне в зависимости от времени;
2) расчёт S-параметров электромагнитных систем;
3) расчёт диаграмм направленности антенн.
Возможно проведение расчетов в средах с дисперсными и нелинейными свойствами.
Программа OpenEMS - свободно распространяемая, общедоступная и с открытым исходным кодом, что отражено в ее названии [1]. Программа является кроссплатформенной - она работает под операционными системами Linux и Windows. Размещена программа на сайтеhttp://openems.de/.Автор программы - Торстен Либиг, университет Дуйсбурга-Эссена, Германия.
В ходе ee работы решается система уравнений Максвелла с помощью метода конечных разностей.
У OpenEMS отсутствует собственный графический интерфейс. В OpenEMS интегрируется Octave (или Matlab). Задание на моделирование является скриптом Octave (Matlab). Для повышения качества отображения результатов может использоваться графический пакет Paraview.
С одной стороны, пользователи относят использование Octave (Matlab) к числу достоинств OpenEMS: это предоставляет большие возможности по параметризации моделей, для постобработки результатов и визуализации. С другой стороны, отмечается сложность освоения интерфейса, который непонятен на интуитивном уровне. Для освоения OpenEMS необходимо чтение литературы, руководств, просмотр обучающих видео. Работа с симулятором без знания Octave или Matlab невозможна [2].
В настоящее время OpenEMS достаточно широко применяется для моделирования электромагнитных полей в ходе проектирования антенн и других электронных приборов (устройств) и их компонентов [3,4].
Моделирование помогает более целенаправленно вносить изменения в опытные образцы, что значительно ускоряет создание готового продукта.
В настоящей квалификационной работе возможности программы OpenEMS иллюстрируются на примере расчета характеристик спиральной антенны. Такие антенны отличаются большим входным сопротивлением и широко применяются в высокочастотных устройствах.
В 2019 г. В АлтГУ была защищена магистерская работа С. Зайцева «Исследование характеристик спиральной антенны» [5], выполненная под руководством к.ф.-м.н., доц. В.В. Щербинина. В этой работе проводилось как теоретическое, так и экспериментальное изучение спиральных антенн. Расчеты характеристик антенн в [5] выполнялись с помощью программы MMANA. Спираль антенны составлялась из прямолинейных отрезков, а круглый радиатор заменялся многоугольником:
Координаты узлов в [5] вычислялись отдельно по программе на языке Фортран и использовались в качестве входных данных программы MMANA. На наш взгляд, в этом отношении программа OpenEMS более удобна. Во- первых, она содержит функцию SmoothMeshlines, которая позволяет уменьшать шаг сетки в заданных областях бокса. В данном случае учащение сетки делается в области спирали антенны. Во-вторых, поскольку скрипт пишется на языке высокого уровня Octave, расчет координат точек спирали легко программируется.
Целью настоящей работы является моделирование характеристик спиральной антенны. Для достижения этой цели необходимо решить следующие конкретные задачи.
1. Установить соответствующее программное обеспечение на компьютере, настроить параметры установки.
2. Изучить основные функции программы OpenEMS и основные операторы языка Octave.
3. Изучить скрипт Helic_antenna из раздела Tutorials сайта openems.de, сделать описание его операторов в виде дополнительных комментариев.
4. Задать в Helic_antenna параметры антенны из [5], включить в скрипт построение полярной диаграммы, провести моделирование.
В ходе выполнения этих заданий также преследуется следующая, не менее важная цель - освоение техники расчета электромагнитных полей с помощью программы ОРенЕМЗ как современного инструмента решения задач радиофизики.
1. Рассчитаны входное сопротивление, коэффициент отражения и КНД спиральной антенны. Построена полярная диаграмма направленности.
2. Показано, что входное сопротивление антенны существенно зависит от расстояния от рефлектора до начала спирали.
3. В ходе выполнения работы освоена техника расчета электромагнитных полей с помощью программы ОРенЕМЗ как современного инструмента решения задач радиофизики.
