ȘCOALA DOCTORALĂ DE INGINERIE ELECTRICĂ ȘI ENERGETICĂ [310423]

UNIVERSITATEA DIN CRAIOVA

ȘCOALA DOCTORALĂ DE INGINERIE ELECTRICĂ ȘI ENERGETICĂ

FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ

Domeniul fundamental: Științe inginerești

Domeniul: Inginerie electrică

Titlul tezei de doctorat: ”Modelarea si simularea câmpurilor electromagnetice în camere specializate ”

RAPORTUL DE CERCETARE ȘTIINȚIFICĂ NR. 5

[anonimizat]: [anonimizat]. [anonimizat]: Prof. univ. dr. ing. [anonimizat] – 2018

[anonimizat] a unui sistem real este o [anonimizat], [anonimizat] a obiectului modelării.

În cazul de față principalul scop al modelării este acela de a putea estima modul de distribuție al câmpului electromagnetic la interiorul și exteriorul unei camere anechoice de măsura pentru diferite condiții impuse.

Pentru realizarea modelări fizice a incintei care face subiectul cercetării, a fost necesar sa efectuăm o analiza privind principiul de funcționare a dispozitivului și să identificăm principalele fenomene și relații cauzale (interne și externe ale campului), [anonimizat]-se modul în care acestea variază în timp și spațiu[14].

[anonimizat] a [anonimizat] a modelării ce urmărește identificarea domeniului de calcul și a subdomeniilor ce au relevanță pentru problemă. Analizând simetriile și variațiile spațiale ale problemei se determină dimensiunea domeniului spațial (1D, 1.5D, 2D, 2.5D, 3D) și forma acestuia. Modelarea geometrică și cu cea fizică alcătuiesc împreună modelarea conceptuală.

Ca și parte componentă a modelării, modelarea matematică urmărește formularea problemei în termeni exclusiv matematici. [anonimizat].

[anonimizat] a câmpului electromagnetic pe baza cărora este conceput programul de modelare.

Procesul de modelare al campului electromagentic se încheie o [anonimizat], [anonimizat] o machetă de dimensiuni si fomă scalate.[2].

Modelarea, ca și componentă esențială a [anonimizat], într-[anonimizat], dar cu flexibilitate și domeniu de valabilitate cât mai extinse[8].

Alegerea celui mai potrivit model depinde de context și este rezultatul unui compromis optim între acuratețe și simplitate, modele precise fiind complicate iar extragerea și simularea acestora avand un cost mai ridicat.

Problemele fundamentale referitoare la modelarea câmpului electromagnetic în medii fixe sau mobile sunt reprezentate de problemele de analiză, in principiu calculul sau determinarea câmpului electromagnetic. In premisa cunoașterii domeniului, caracteristicilor materialelor domeniului, distribuția spațială și temporală a surselor de câmp și/sau alte condiții suplimentare, pentru obținerea unei soluții unice precum condițiile inițiale și de frontieră, se cere determinarea mărimilor de stare locale și instantanee a câmpului (E, D, B, H) în domeniul spațiu-timp supus analizei[5].

În concluzie, problema care trebuie rezolvată la extragerea modelului nu este numai problema analizei câmpurilor fizice, ci identificarea unui sistem de ecuații diferențiale ordinare – ODE, (eventual cuplate cu unele algebrice – DAE ),care să aibă o dimensiune minimă și o relație între intrări și ieșiri, care aproximează cu o eroare acceptabilă relația dintre intrările și ieșirile sistemului descris de ecuațiile cu derivate parțiale PDE ale câmpurilor fizice. Fără formularea corectă a problemei de analiză, problema extragerii modelului redus nu se poate pune nici ea corect.

Constatăm ca nu se poate vorbi deci de formularea matematică corectă a problemei, dacă nu sunt identificate precis spatiile X si Y, în care căutăm soluția și respectiv cel în care se află datele problemei. Aceasta operație fundamentală în modelarea matematică se numește stabilirea cadrului funcțional al problemei. Chiar dacă se simplifică lucrurile și problema se tratează „inginerește”, în nici un caz nu se poate renunța la teorema de unicitate, pentru a verifica în ce măsură condițiile de frontieră asigură unicitatea soluției. Neglijarea acestui pas poate determina grave erori de modelare, care să fie depistate relativ târziu, după irosirea unui efort prețios[9].

Cel mai adesea soluțiile analitice se obțin prin modelări geometrice mult simplificate. Cel mai simplu este evident cazul 1D, dar se pot obține aproximări analitice și în cazul 2D, atunci când acesta este relevant.

Pentru a obține soluții mai exacte, în cazul unor configurații complicate, singura abordare posibilă o constituie modelarea numerică, bazată pe utilizarea calculatoarelor pentru a evalua soluția. În acest scop se folosesc mai multe abordări, dintre care cele mai importante sunt[13]:

FEM – metoda elementului finit;

FDM – metoda diferențelor finite, sau variante ale acesteia, cum sunt: metoda volumelor finite (FVM) sau tehnica integralelor finite (FIT);

BEM – metoda elementelor de frontiera, cunoscută și sub numele de Metoda Momentelor (MoM).

REALIZAREA MODELULUI CAMEREI ANECHOICE

Camerele anechoice, din punct de vedere constructiv, sunt structuri metalice ecranate ale căror pereți și tavan sunt căptusite cu materiale absorbante și / sau plăcuțe de ferită. Acest tip de incinte oferă performanțe de ecranare ridicate și pricipalul scop pentru care sunt utilizate îl reprezintă testarea emisiilor EM în conformitate cu standardele în vigoare.

Primul pas in procesul de construcție al unei camere anechoice este reprezentat de construirea unei camere ecranate, si verificarea eficacității ecranării acesteia.

Principiul după care sunt construite incintele ecranate este acela al cuștii Faraday, concept inventat de Michael Faraday, cunoscut și sub numele de “Faraday Cage”, care constă în  crearea unei carcase metalice conductoare care înconjoară complet obiectul ce se dorește a fi protejat de influența mediului exterior.

Teoretic, camera este o structură metalică uniformă cu proprietăți de ecranare totală. Practic, este o construcție metalică alcătuită din panouri asamblate. Ecranul pe care panourile il constituie, este considerat optim când între panouri nu există diferențe de conductivitate. În cazul măsurătorilor frecvențelor mai mici de 30 MHz, o influență deosebită în asigurarea ecranării o are grosimea metalului deoarece afectează eficiența ecranării. Performanța cuștii Faraday este exprimată ca raportul dintre intensitatea câmpului în volți/metru (V/m) din interiorul cuștii și în exteriorul acesteia. În mod obișnuit se practică estimarea valorilor intensității câmpului pe scară logaritmică.

Din punct de vedere constructiv, pentru frecvențe foarte joase și câmpuri statice, unde câmpul dominant este cel magnetic, pe lângă materiale metalice de grosime mare, sunt necesare și materiale și aliaje cu proprietăți speciale de ecranare, ca de exemplu feritele.

Construcția camerei ecranate

Fig. 1. Dimensionarea camerei anechoice.

Carcasa camerei anechoice este reprezentată de o cutie metalică cu dimensiunile: 6,10 m x 3,40 m x 2,55 m (lungime x lățime x înălțime), dimensiuni specificate în figura 1. Aceasta presupune o construcție specială de tip multistrat care să asigure ecranarea optimă, astfel încât să nu existe influențe exterioare în interior sau din interior la exteriorul acesteia.

Camera este o contrucție modulară realizată din panouri prefabricate interconectate cu ajutorul unor organe de asamblare, integrând in structura lor de ansamblu panoul de alimentare ce conține intrări pentru liniile de alimentare și de semnal, ventilatoare pentru aerisire și ușa de acces.

Modelul geometric al carcasei este reprezentat în figura 2. Dimensiunile pe baza căruia s-a realizat modelul au fost calculate astfel încât să respecte la scală 1:3 cu cele ale incintei reale.

Fig. 2 Modelul geometric utilizat pentru modelarea camerei anechoice.

Având în vedere modul de construcție al camerei reale, cele mai des întâlnite probleme în ceea ce privește eficacitatea cuștii Faraday apar la îmbinarea componentelor carcasei, a ușii, ventilatoarelor și îmbinărilor modulelor din care este realizată incinta.

Printre elementele care pot reduce eficacitatea ecranării cuștii Faraday, se numără: îmbinările, ușa de acces, panourile de ventilație, panoul pentru alimentare, cabluri de semnal și conectarea optică. Este imperios necesar ca îmbinările camerei să asigure aceeași conductivitate între panourile din care este construită camera.

Figura 3. Tipul de îmbinare folosit pentru construcția carcasei.

Figura 4. Imagini din timpul construcției incintei.

Unirea panourilor modulare s-a realizat prin înșurubare, iar pentru a asigura o ecranare optimă, s-au folosit materiale cu proprietăți speciale aplicate în zona de îmbinare.

În componența peretelui multistrat sunt incluse:

Carcasa metalică din oțel zincat cu grosimea de 2 mm, nevopsit;

Cadru suport din lemn pe care sunt montate panouri din PAL (MDF);

Folie de aluminiu cu proprietăți de ecranare, adezivă, cu grosimea de 0.3 mm

Placute de ferita de forma patrata cu dimensiuniele 100 mm x 100 mm x 6 mm (lungime x lățime x înălțime)

Modulelele de oțel zincat din care este asamblata carcasa măsoară în profunzime 50 mm, având pozitionate orificiile de prindere la distanța de 75 mm. In momentul asamblarii, intre panouri s-a utilizat material de contact detasabil.

Cadrul suport joacă rol de structură de sprijin pentru structura camerei, fiind o constructie de sine statatoare aplicata pe peretii si tavanul incaperii. In cazul podelei a fost folosită o înalțare din lemn cu dimensiunea de 13 mm si o incărcare maxim suportabilă de 500 Kg/m2. Pe acesti suporti au fost montate panourile de lemn PAL, astfel încât toata suprafața interioară să fie acoperită.

Odată creat în interiorul camerei un mediu compact, care asigură protecție împotriva umiditatii ecranului, s-a recurs la tapetarea stratului PAL cu o folie adezivă de aluminiu, cu scopul de a creste performantele de ecranare ale camerei.

În final, au fost montate placile absorbante din ferită, materiale cu proprietăti superioare de ecranare, foarte des intâlnite din acest domeniu.

O construcție modulară a carcasei prezintă avantajul că este mai ușor de montat, este caracterizată de distanțe mai mici între elemente de fixare, dar are și dezavantaje deoarece presupune folosirea mai multor balamale, încuietori și șuruburi. Toate aceste elemente suplimentare care intervin, au ca și consecință costuri de montare și demontare mai mari.

Dacă în cazul camerei anechoice reale intra în discutie probleme ce pot apărea din cauza modului de realizare fizic, în cazul modelarii lucrurile sunt relativ simplificate.

Modelarea incintei se bazea pe urmatorul algoritm de realizare a modelului geometric:

se construieste inițial carcasa dreptunghiulara (Faraday cage) accesând un model predefinit existent in biblioteca standard pe care o pune la dispozitie utilizatorului software-ul utilizat (CST Microwave Studio Suite 2016);

se construiesc elementele componente ale camerei respectând dimensiunile stabilite si locul de amplasare in structura acesteia;

se cupleaza geometriile elementelor componente cu cea a custii faraday, obtinând astfel modelul dorit.

Odata obtinut modelul geometric, se continua cu particularizarea materialelor.

CORELAREA DINTRE MODELAREA ȘI SIMULAREA ȘI DETERMINĂRI EXPERIMENTALE PENTRU DETERMINAREA MĂRIMILOR DE CÂMP ÎN CAMERE SPECIALIZATE