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Introdução
Ansys Electronics Desktop (AEDT) é uma plataforma que possibilita o design preciso e eficiente de sistemas eletrônicos. AEDT fornece acesso às soluções de simulação eletromagnética da Ansys, como Ansys HFSS, Maxwell, Q3D Extractor, SIwave e Icepak, utilizando fluxos de trabalho de CAD elétrico (ECAD) e CAD mecânico (MCAD). Além disso, inclui também links diretos para o portfólio completo da Ansys de solvers térmicos, de fluidos e mecânicos para uma análise multifísica abrangente. A integração estreita entre essas soluções proporciona ao usuário uma facilidade de uso sem precedentes para a configuração e uma resolução mais rápida de simulações complexas para design e otimização.
Além de soluções padrões que o software calcula automaticamente, o AEDT também permite a realização de cálculos diversos e customizados, utilizando as grandezas fundamentais de eletromagnetismo na calculadora de campos. Partindo de dados de campo obtidos por meio de uma solução, a calculadora pode gerar informações de tensões, correntes, ou qualquer outra quantidade que possa ser visualizada em um ambiente 3D na geometria modelada.
Este documento tem como objetivo dar um ponto de partida no uso da calculadora, codificando alguns cálculos frequentemente utilizados no Ansys HFSS em etapas fáceis de seguir. Em muitos casos, as etapas identificadas neste documento não são as únicas sequências de operações que podem obter os mesmos resultados. No entanto, identificamos as rotinas que exigem o menor número de cliques e manipulações de pilha para obter a resposta desejada.
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Notas de cautela
O texto a seguir fornece algumas breves notas de cautela sobre o uso da Calculadora de Campos do Pós-Processador no HFSS. A maioria das declarações abaixo são bastante generalizadas e podem não se aplicar a todos os projetos do HFSS. Em caso de dúvida sobre a aplicabilidade de um aviso específico para um projeto em particular, sinta-se à vontade para entrar em contato com o suporte técnico da ESSS.
Convergência e precisão de campo
O Ansys HFSS é um solver de campo pelo método dos elementos finitos (MEF), que chega à sua solução por meio de convergência adaptativa de malha. Existem diferentes algoritmos disponíveis para determinar onde, em cada malha, a adaptação é realizada, mas a convergência é avaliada pela comparação de parâmetros S (para soluções com portas), mudanças na energia de espalhamento geral (para problemas de onda incidente) ou frequências ressonantes (para soluções de modo próprio) de passagem. Como essas quantidades representam os resultados do modelo como um todo, elas tendem a convergir mais rapidamente do que os valores de campo.
Sendo assim, cada ponto no espaço modelado pode ter convergido para algum valor. Como resultado, quantidades de campo específicas em cada ponto da malha podem possuir uma precisão particular quando comparado ao resultado geral do parâmetro S ou frequência própria de uma solução de projeto.
Para obter resultados de alta precisão a partir de cálculos sobre dados de campo, é aconselhável tomar precauções extras para garantir que os dados de campo do modelo sejam confiáveis. Essas precauções extras podem incluir:
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Executar o projeto para um valor de convergência mais criterioso do que o usual.
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Semear ou refinar manualmente a malha nas áreas a serem usadas para cálculos.
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Executar variações paramétricas para isolar a sensibilidade a parâmetros de modelagem, como frequência de adaptação ou facetização de seção transversal circular.
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Especificar expressões para convergência de saída.
Enquanto a precisão de pontos de dados de campo específicos a serem usados tiver sido garantida, os resultados das operações da calculadora de campos do HFSS devem fornecer informações valiosas para suas tarefas de design eletromagnético.
Entradas e Excitações
Lembre-se de definir a excitação de campo usando HFSS>Campos>Editar Fontes, apropriada para o cálculo a ser realizado. Em alguns casos (por exemplo, cálculos FSS), escolher o conjunto de soluções de campo correto (incidente, disperso ou total) também é essencial para obter o resultado pretendido.
Qualquer cálculo de campo que ainda não tenha sido concluído é meramente um marcador de posição. Alterar os dados de campo carregados no Pós-Processador (alterando as excitações de porta, mudando a frequência ou escolhendo um conjunto de soluções diferente usando HFSS>Campos>Editar Fontes) resultará em uma avaliação subsequente do marcador de posição para os novos dados carregados. Para preservar a associação de um marcador de posição a um conjunto de dados existente antes de alterar a excitação para um conjunto de dados diferente, a pilha de registros deve ser exportada usando o botão “Write”. A quantidade corretamente associada pode ser trazida de volta à pilha usando “Read” após a seleção do conjunto de dados de campo ter sido alterada.
Unidades
Todas as unidades em soluções de campo acionadas do HFSS são expressas no sistema MKS, independentemente das unidades de desenho. Portanto, E-mag está sempre em V/m, H-mag em A/m, etc. A exceção é que, ao plotar ao longo de uma geometria (por exemplo, ao longo de uma linha), a dimensão ao longo do eixo X do gráfico mostra a posição ao longo da linha na unidade utilizada no desenho, enquanto o eixo vertical (quantidade de campo) estará no sistema MKS.
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Noções básicas da calculadora
Alguns engenheiros que utilizam o HFSS descobrem que os recursos padrão de pós-processamento não são suficientes para seu trabalho ou estudo. Os parâmetros de espalhamento, a matriz Y ou Z, os gráficos animados de campos e os padrões de campo distante cobrem a maioria das necessidades de uma ferramenta de simulação como essa. Para aqueles poucos casos onde esses não são suficientes, o pós-processador do HFSS inclui uma Calculadora de Campo. Usando esta calculadora, é possível realizar operações matemáticas em todos os dados de campo salvos na geometria modelada em uma única frequência. As quantidades resultantes podem ser plotadas, tabeladas ou exportadas de maneiras semelhantes às quantidades pré-definidas.
Para acessar a Calculadora de Campo: clique em HFSS > Campos > Calculadora.
A interface da Calculadora de Campo é mostrada na figura a seguir:
Figura 3.1: Interface da Calculadora de Campo
No canto superior esquerdo da calculadora, há uma lista de "Named Expressions", que são quantidades de campo padrão ou definidas pelo usuário, acessíveis de fora da calculadora. Elas podem ser adicionadas, copiadas para a pilha, salvas ou carregadas de um arquivo de biblioteca usando os botões logo abaixo da lista. No canto superior direito da calculadora, está o "Solution Contex", onde os usuários podem selecionar as soluções desejadas, tipos de campo, frequência e fase, para a sessão atual. No meio da calculadora, encontra-se a "Data Stack", onde as entradas da calculadora são mantidas em registradores de pilha. O tipo de dado na Data Stack é indicado pela abreviação de seu prefixo. Imediatamente abaixo da pilha, está a linha de "Stack Commands", que define algumas operações básicas nos dados da Data Stack. A metade inferior da calculadora contém as colunas com os botões da calculadora, organizados em colunas, classificando-os pelo tipo de operação e o tipo de dado sobre o qual a operação pode ser realizada. Essas colunas são intitulado "Input Column", "GeralColumn", "Scalar Column", "Vector Column" e "Output Column". Cada uma será discutida em mais detalhes abaixo. Na parte inferior da calculadora, está o botão para sair.
A maioria dos botões são de função única e suas funções são autoexplicativas por seus nomes. No entanto, alguns botões da calculadora são expansíveis e contêm mais opções, como menus suspensos ou diálogos. Por exemplo, alguns botões da calculadora com um símbolo de seta para baixo à direita são, na verdade, menus suspensos contendo várias opções selecionáveis. Alguns botões da calculadora com reticências [...] abrem um diálogo que permite aos usuários inserir informações mais detalhadas ou complicadas.
Figura 3.2: Exemplo de Menu Suspenso "Seleção"
Expressões Nomeadas
As expressões nomeadas listam as expressões definidas para uso na calculadora de campo ou no pós-processamento. Algumas quantidades de campo padrão foram pré-definidas e estão sempre acessíveis. Essas quantidades de campo têm uma cor de fundo cinza e não podem ser excluídas. Pode-se atribuir um nome à entrada superior da Data Stack e adicioná-la na lista de Expressões Nomeadas. As expressões usadas com frequência podem ser incluídas em uma biblioteca de usuário que pode ser carregada em cada projeto através dos botões “Save To” e “Load From”.
Figura 3.3: Expressões Nomeadas
Uma vez que essas novas expressões são adicionadas/carregadas, elas estão disponíveis através das capacidades padrão de pós-processamento do HFSS. Por exemplo, elas podem ser copiadas de volta para a Data Stack na calculadora por "Copy to Stack" para operações adicionais, ou serem plotadas.
Contexto da Simulação
O Contexto da Solução permite a seleção da solução do HFSS, frequência e fase. Especificamente, ele permite a especificação do tipo de solução se as saídas forem geradas diretamente da calculadora. No entanto, deve-se notar que este contexto de seleção de solução não substitui a função de editar as configurações de excitação especificadas no diálogo HFSS > Campos > Editar Fontes.
Pilha de dados
A Pilha de Dados da calculadora é o buffer para resultados e operações em andamento. Ela contém entradas atuais e salvas em uma pilha rolante. O uso geral progride da esquerda para a direita: a quantidade de entrada ou quantidades estão à esquerda, realizar operações estão no meio, e o tipo de saída desejado definido à direita. O registrador da pilha da calculadora adiciona à exibição da pilha acima das entradas precedentes. Portanto, a entrada no topo da pilha representa o último registrador preenchido. Esta convenção é oposta àquela que muitos usuários podem estar familiarizados com o uso de calculadoras portáteis de múltiplas linhas, que muitas vezes constroem suas pilhas de baixo para cima.
Comandos de Pilha
Os Comandos da Pilha são aqueles comandos que influenciam as entradas na pilha da calculadora e sua posição. Esses comandos são para manipulação de conteúdos da pilha apenas, como copiar/colar, excluir ou reorganizar. Os nomes desses comandos correspondem a convenções padrão de manipulação de pilha. Muitos são autoexplicativos, e alguns podem ser usados em pares.
Figura 3.4: Comandos da Pilha
Por exemplo, “Push” duplicará a última entrada da pilha, enquanto “Pop” exclui apenas a última entrada da pilha. “RlDn” representa "rolar para baixo", que move a entrada superior para o fundo, enquanto “RlUp” representa "rolar para cima", que move a entrada inferior para o topo. “Exch” trocará as duas entradas superiores da pilha. “Clear” esvaziará a pilha de todos os conteúdos, e “Undo” desfaz a última operação entre as entradas da pilha, mas pode não funcionar para todos os tipos de dados. Uma descrição completa de todos os comandos da pilha da calculadora pode ser encontrada na ajuda online.
Coluna de Entrada
A Coluna de Entrada contém todas as funções da calculadora que inserem novos valores na pilha, como dados de campo, constantes, dados de geometria, seleção de sistema de coordenadas, vetores ou números complexos inseridos pelo usuário. Os dados de campo (por exemplo, campo elétrico, campo magnético e vetor de Poynting) para a solução atual do projeto são inseridos a partir da seleção do menu suspenso de “Quantites”. Outras seleções do menu suspenso de entrada devem ser autoexplicativas.
As quantidades especificamente disponíveis na calculadora são o campo elétrico (E-field), o campo magnético (H-field), J-vol (corrente de volume) e o vetor de Poynting. Todas as quantidades são fasores de pico, e não quantidades RMS, com a informação de fase capturada nos componentes reais e imaginários e a orientação do campo capturada nos componentes vetoriais. Embora o vetor de Poynting seja calculado automaticamente pela interface como 0.5 (E x H*), ele aparecerá na pilha da calculadora como uma quantidade Vetor Complexo. No entanto, a porção imaginária deve ser zero ou ignorada.
Coluna geral
A Coluna Geral contém operações da calculadora que podem ser realizadas em muitos tipos diferentes de dados (por exemplo, vetor, escalar, complexo, etc.). Com exceção do menu Complexo, todas são funções distintas. A maioria é autoexplicativa, com exceção de “Smooth”, que realiza alguma "suavização" de dados ou média estatística na entrada superior da pilha.
Coluna escalar
A Coluna Escalar contém operações da calculadora que só podem ser realizadas em entradas escalares da pilha. Os menus suspensos nesta coluna incluem Vec? (converter escalar para vetor), Trig (trigonometria, contendo funções como sen, cos, etc.), d/d? (derivada em relação a...), Máximo e Mínimo (autoexplicativos), Gradiente, ln (logaritmo natural de base e), log (logaritmo de base 10), média e Desvio Padrão. Note que a função “Integrate” da calculadora está localizada na coluna Escalar. A implicação é que a integração só pode ser realizada em quantidades escalares. Para realizar a integração em quantidades complexas, a integração deve ser realizada separadamente nos subcomponentes reais e imaginários.
Coluna vetorial
A Coluna Vetorial contém operações da calculadora que só podem ser realizadas em entradas vetoriais da pilha. Os menus suspensos nesta coluna são Escal? (converter vetor para escalar) e Vetor Unitário (criar vetor unitário). Operações padrão de álgebra vetorial (Dot, C ross, etc..) também estão presentes.
Coluna de Saída
A Coluna de Saída contém as operações da calculadora que resultam em dados finais a partir dos cálculos. O botão “Eval” obtém os resultados numéricos finais do último espaço reservado da pilha (como integrações).
Quantidades na pilha da calculadora
A calculadora é capaz de realizar operações em vários tipos de dados diferentes. Em muitos casos, um cálculo requer que certos tipos de dados estejam presentes na ordem correta no registrador da pilha. Muitas operações resultam em um tipo de dado diferente dos inputs. Para mostrar o tipo de dado contido em cada entrada da pilha, a calculadora denota seu tipo de dado por meio de um indicador de prefixo, como mostrado na Data Stack mostrando índices de tipo de dados na esquerda. A lista a seguir descreve a definição de cada indicador e fornecerá orientações sobre as operações que podem converter dados de um tipo para outro.
Figura 3.5 Conteúdo da Pilha mostrando Indicadores de Tipo de Dados (à esquerda)
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Receitas
Em anexo deste artigo, é possível encontrar um documento com diversos cálculos possíveis de realizar utilizando a calculadora de campo a partir dos resultados obtidos por simulação no HFSS.
Para ilustrar o procedimento, será demonstrado como realizar o cálculo de corrente elétrica que passa em em um fio ou trilha usando o princípio da Lei de Ampère.
Descrição
Obtém a corrente complexa total em um fio ou condutor de trilha (por exemplo, microstrip, stripline) em um local específico, integrando o campo magnético ao longo de um caminho fechado que circunda o condutor.
Onde l é um caminho fechado, que pode ser um objeto de linha circular.
Exemplo(s) de uso
Para encontrar a distribuição de corrente ao longo de uma antena de fio (dipolo, monopolo, etc.), este cálculo pode ser repetido em posições periódicas ao longo do comprimento da antena.
Pré-requisitos
Você deve criar uma linha fechada para o caminho de integração usando Desenhar > Linha antes de iniciar as operações da calculadora. A linha deve ser ortogonal à direção do fluxo de corrente, não deve intersectar o fio/trilha e não deve ser muito maior do que o fio/trilha.
Operações
A seguir são mostradas as operações necessárias para realizar o cálculo. Na primeira coluna é indicado quais os botão a serem utilizados, e na segunda coluna qual o resultado esperado na calculadora de campos.
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Conclusão
Pode-se perceber que com a calculadora de campos, é possível extrair diversos resultados e realizar pós-processamentos através de equações matemáticas e grandezas fundamentais de eletromagnetismo.
Importante destacar que essa ferramenta está presente nos mais diversos softwares contidos no Ansys Electronics Desktop. Nesse artigo foram abordados alguns cálculos usando o Ansys HFSS, porém a mesma lógica pode ser aplicada nos demais softwares para extrair essas e outras grandezas.
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