FieldSolver 3D

Leistungsfähiger, voll integrierter Simulator für das Design von Antennen, die Verifizierung von Abschirmungen und die Optimierung von bedrahteter UHF Kommunikation.

Überblick (siehe auch: Video Tour)

Felicitas FieldSolver 3D ist ein leistungsfähiger, voll integrierter Simulator für den Entwurf von Antennen, die Verifizierung von Abschirmungen und die Optimierung von bedrahteter UHF Kommunikation.

Der Simulationskern basiert auf modernen FDTD (Finite Difference Time Domain) Algorithmen. Die Implementierung ist hoch optimiert und nutzt moderne multi-core Workstations voll aus. Somit können auch umfangreiche Simulationen schnell auf gut ausgerüsteten PCs durchgeführt werden.

Applikationen

Felicitas FieldSolver 3D ist ein komplexer 3D Simulator für elektromagnetische Wellen. Es können beliebige Aufgaben gelöst werden, die einen tieferen Einblick in das Verhalten von elektromagnetischen Wellen erfordern.

Im weiteren Text führen wir einige gängigsten Applikationen auf.

Entwurf von Antennen

Die wichtigsten Eigenschaften von Antennen sind die Abstrahlcharakteristik, d. h. der richtungsabhängige Antennengewinn und die Eingangsimpedanz für alle betrachteten Frequenzen.

Felicitas FieldSolver 3D kann beides in einem einzigen Simulationsprozess ermitteln.

Eine Herausforderung für jedes System bei der Simulation von Antennen ist normalerweise die Kombination vom Nahfeld und Fernfeld. Das Nahfeld erfordert einen sehr detaillierten Blick auf kleine Objekte und auf sich schnell ändernde Felder. Auf der anderen Seite erfordert das Fernfeld die Berechnung der Felder an Orten, die weit (mehrere Wellenlängen) vom der Antenne entfernt sind und an denen normalerweise keine weiteren Objekte vorhanden sind. Felicitas FieldSolver 3D behandelt diese Herausforderung auf mehrere Weisen:

Nah- zu Fernfeld Transformation (NTFFT)

Ein kubisches Volumen wird erstellt, das die komplette Antenne beinhaltet. Aus dem Feld auf der Oberfläche dieses Volumens wird das Fernfeld berechnet und in 3D visualisiert.

Der Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass das Simulationsvolumen vergleichsweise klein ist und somit mit einer hohen Auflösung simuliert werden kann.

Echtes Sub-Gridding

Eine Untermatrix wird erstellt, die die abstrahlende Geometrie beinhaltet. Diese Untermatrix hat eine höhere Simulationsauflösung im Vergleich zur Hauptmatrix sowohl räumlich, als auch zeitlich. Die Hauptmatrix wird zum Simulieren des Fernfelds der Antenne benutzt.

Diese einzigartige Eigenschaft von Felicitas FieldSolver 3D ermöglicht es, Antennen mit einer hohen Auflösung und Genauigkeit zu simulieren und gleichzeitig das Fernfeld direkt zu berechnen.

Layout

Mit den heute üblichen Frequenzen von mehreren Hundert MHz oder sogar GHz spielt das Layout einer Schaltung eine entscheidende Rolle für ein erfolgreiches Design. Felicitas FieldSolver 3D kann die Layoutdaten importieren und das Verhalten von Vias und Bahnen simulieren.

Eigenschaften von Vias und Bahnen

Die Eigenschaften normaler Streifenleiter können heutzutage aus ihre Geometrie über entsprechende Formeln direkt berechnet werden. Beliebige Diskontinuitäten können auf diese Weise allerdings nicht berücksichtigt werden.

Felicitas FieldSolver 3D kann den Einfluss von Vias auf sehr schnelle Signale simulieren und visualisieren. Dies ermöglicht dem Entwickler, die Geometrien von Vias und Leiterbahnen zu optimieren (Bohrungsdurchmesser , Padgeometrien, Zuführungen und die Platzierung). Verluste z. B. durch Reflexionen oder Abstrahlungen werden reduziert und damit werden die Sicherheitsreserven der Schaltung erhöht.

Einfluss von Steckern

In vielen Designs mit hohen Frequenzen stellen Stecker die kritischen Bauteile dar. Sie sind für den Signalweg eine Diskontinuität und können eine Ursache für Abstrahlungen oder Reflexionen sein.

Felicitas FieldSolver 3D importiert die 3D Daten des Herstellers von Steckern und Buchsen und ist in der Lage, diese zusammen mit der Geometrie der Leitungszuführungen zu simulieren. Reflexionen können visualisiert werden und Ursachen von Problemen können identifiziert und beseitigt werden.

EMV

Elektromagnetische Störungen können innerhalb eines Gerätes oder zwischen Geräten vorkommen.

EMV innerhalb eines Gerätes

Felicitas FieldSolver 3D kann ermitteln, wie ein Störsignal auf ein anderes Signal einwirkt.Der Entwickler bekommt so einen tiefen Einblick in die involvierte Mechanismen und kann spezifische Mittel zur Behebung des Problems entwerfen. Der Erfolg dieser Änderungen kann im neuen Simulationslauf verifiziert werden.

EMV zwischen Geräten

Mit Hilfe einer 3D Simulation kann die Ursache einer unbeabsichtigten Abstrahlung identifiziert werden sowie der Grund für die Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Störfrequenzen ermittelt werden.

Details

Systemanforderungen

  • LINUX 64 Bit oder Windows ® 64 Bit
  • CPU mit 4 Kernen und 2GHz Taktfrequenz oder höher
  • Grafikkarte mit OpenGL ® Treiber(NVIDIA ® und AMD ® liefern geeignete Treiber für alle ihren Karten)
  • 8GB of RAM
  • 40GB of HDD

Verwendete Algorithmen

Maxwellgleichungen

Felicitas FieldSolver 3D basiert auf fortschrittlichen FDTD (finite difference time domain) Algorithmen. Die Grundlage wird durch die bekannten Maxwellgleichungen in ihren Differentialform gebildet:

formula3

mit
E : elektrisches Feld (V/m)
H : magnetiches Feld (A/m)
D: elektrische Flussdichte (C/m² )
B : magnetische Flussdichte (Wb/m² )
J : elektrische Stromdichte (A/m² )
ρ: freie elektrische Ladungsdichte (C/m³ )
Jm : äquivalente magnetische Stromdichte(V/m² )
ρm : freie magnetische Ladungsdichte (Wb/m³ ).

wobei der “Del”- oder “Nabla”-Operator durch das auf der Spitze stehende Dreieck repräsentiert wird:

formula2

Simulationsmatrix aus “Yee Cells”

Das Simulationsvolumen wird in einer speziellen Matrix abgebildet, die erstmals von Kane Yee bereits 1966 vorgeschlagen wurde (“Yee Grid”). Diese Matrix enthält die Komponenten des E- und H- Feldes (Ex, Ey, Ez, Hx, Hy, Hz) in unterschiedlichen räumlichen Orten. Dies ermöglicht die schnelle Berechnung der partiellen Ableitungen, die für die effiziente Fortschreibung der Felder notwendig sind.

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