Ein Streifenleiter

Mikrostreifenleitungen und Streifenleitungen werden häufig in verschiedenen elektrischen und elektronischen Anwendungen verwendet, insbesondere in Festkörper-Mikrowellensystemen. Eine Streifenleitung hat eine sehr einfache Struktur. Es besteht üblicherweise aus einem dünnen schmalen Metallstreifen auf einem dielektrischen Substrat, das sich auf einer festen leitenden Ebene befindet.

In diesem Validierungsbeispiel betrachten wir eine Streifenübertragungsleitung, die in ein dielektrisches Substrat eingebettet ist. Die relative Permittivität des dielektrischen Substrats beträgt &Dgr; r=12,85. Der Leiterstreifen hat eine infinitesimale Dicke mit einer Breite von w=5 mm. An den Streifen wird eine Spannung von 1 V angelegt. Das Substrat ist von jeder Seite des Querschnitts an eine leitende Abschirmung gebunden. Die Abschirmbox ist in der Tat geerdet und hat eine Breite von a=20 mm und eine Höhe von b=10 mm, wie in Abbildung 1 gezeigt. Wir möchten die Ergebnisse von EMS anhand der veröffentlichten Daten validieren [1].

Abbildung 1: Querschnitt einer Streifenübertragungsleitung

Abbildung 2: Festes Modell der Streifenleitung

Die Studium

Das elektrostatische Modul von EMS wird verwendet, um das elektrische Potentialfeld in der Streifenleitung und den dielektrischen Substraten zu berechnen. Nach dem Erstellen der elektrostatischen Studie oder des Entwurfsszenarios in EMS müssen immer drei wichtige Schritte befolgt werden. Das heißt, wenden Sie das richtige Material für alle festen Körper an, wenden Sie die erforderlichen Randbedingungen oder die sogenannten Lasten/Beschränkungen in EMS an und vernetzen Sie das gesamte Modell.

Materialien

Bei der elektrostatischen Analyse von EMS ist als einzige Materialeigenschaft die relative Permittivität erforderlich, die in Tabelle 1 für das dielektrische Substrat und die Umgebungsluft angegeben ist.

Tabelle 1: Relative Permittivität der beiden dielektrischen Substrate und der Umgebungsluft

Die Anwendung von Materialien ist unkompliziert. Klicken Sie einfach mit der rechten Maustaste auf das Komponentensymbol und wenden Sie das Material an.

Laden/Zurückhalten

Lasten und Rückhaltesysteme sind erforderlich, um die elektrische und magnetische Umgebung des Modells zu definieren. Die Ergebnisse der Analyse hängen direkt von den angegebenen Belastungen und Einschränkungen ab. Lasten und Abhängigkeiten werden auf geometrische Entitäten als Features angewendet, die der Geometrie vollständig zugeordnet sind und automatisch an geometrische Änderungen angepasst werden.

In dieser Studie hat die Streifenleitung ein elektrisches Potential von 1 V, während der abgeschirmte Leiter um das Substrat herum geerdet ist.

Ineinander greifen

Die Vernetzung ist ein sehr wichtiger Schritt bei der Entwurfsanalyse. EMS schätzt eine globale Elementgröße für das Modell unter Berücksichtigung seines Volumens, seiner Oberfläche und anderer geometrischer Details. Die Größe des generierten Netzes (Anzahl der Knoten und Elemente) hängt von der Geometrie und den Abmessungen des Modells, der Elementgröße, der Netztoleranz und der Netzsteuerung ab. In den frühen Phasen der Entwurfsanalyse, in denen ungefähre Ergebnisse ausreichen können, können Sie eine größere Elementgröße für eine schnellere Lösung angeben. Für eine genauere Lösung ist möglicherweise eine kleinere Elementgröße erforderlich.

In diesem speziellen Benchmark ist das Ineinandergreifen ziemlich einfach, da die Geometrie kleine Bereiche und Lücken mit sich bringt. Daher wird die globale Elementgröße auf 3 mm mit einer Maschentoleranz von 0,15 mm festgelegt. Um eine gute Genauigkeit zu erzielen, ohne die Gesamtzahl der Netzelemente zu erhöhen, wird empfohlen, ein Netzsteuerelement auf die Bereiche anzuwenden, in denen ein großes Feld oder eine große Abweichung erwartet wird. Eine lokale Maschensteuerung von 1,2 mm wird auf das dielektrische Substrat angewendet. Abbildung 3 zeigt das resultierende Netz.

Abbildung 3: Geflecht der Struktur ohne Luftbereich

Ergebnisse

Nach erfolgreicher Ausführung erstellt das Elektrostatikmodul vier Ergebnisordner und eine Ergebnistabelle. Die Ordner enthalten das elektrische Feld E, das Verschiebungsfeld D, die Potentialverteilung V bzw. die Kraftdichte. Die Ergebnistabelle enthält die Energie. Darüber hinaus können alle Ergebnisse in verschiedenen Formaten wie Streifen-, Vektor-, Kontur-, Schnitt-, Linien- und Schnittdarstellungen angezeigt werden. Die Ergebnisse können einfach vergrößert, exportiert und seziert werden.

Für diesen speziellen Benchmark wird die 3D-Darstellung des elektrischen Potentialfelds mit den in [1] angegebenen Ergebnissen verglichen. Darüber hinaus wird die Liniendiagrammfunktion von EMS verwendet, um das elektrische Potential an drei Punkten mit den Koordinaten in mm (10, 3,75), (11,558, 3,75) und (12,338, 1,25) zu vergleichen. Wie aus den Abbildungen 4 bis 6 hervorgeht, stimmen die Ergebnisse des UMS mit denen der Autoren von [1] überein.

Abbildung 4: Elektrisches Potentialfeld von EMS

Abbildung 5: Die Ergebnisse des elektrischen Potentialfeldes unter Verwendung von (a) dem DBEM und (b) dem FEM, wie in [1] angegeben.

6: Liniendiagramm des elektrischen Potentials zwischen (10, 3,75), (11,558, 3,75) und (12,338, 1,25), erhalten von EMS

Tabelle 2: Ergebnisse des elektrischen Potentials nach verschiedenen numerischen Methoden, angegeben in [1]

Die Ergebnisse des 3D-Diagramms des elektrischen Potentials und die Größen der Referenzpunkte Punkt 1 (0,7112 V), Punkt 2 (0,6849 V) und Punkt 3 (0,1867 V) als Verhältnis zum maximalen Potential V0=1 V auf der Streifenleitung sind eng stimmen mit den Ergebnissen aus [1] überein.

Fazit

Dieser Benchmark demonstriert die hohe Genauigkeit, die das Electrostatic-Modul von EMS im Vergleich zu den veröffentlichten Ergebnissen erzielt.

Verweise

[1] Chyuan, S.W.; Liao, Y.S., Chen, J.T.; "An Efficient Method for Solving Electrostatic Problems," Computing in Science and Engineering, Vol. 5, No. 3, May-June 2003, pp. 52-58