1 Московский энергетический институт
 Скачать 3.23 Mb.
|
|
1.2. Интерфейс программы CST Microwave Studio Интерфейс CST Microwave Siudio оранизован по принципу построения всех современных программ. Команды управления сосредоточены в главном меню, и дублируются кнопками, размещенными на горизонтальной панели. Описание задачи заключается в черчении конструкции, аналогично тому, как выполняется черчение в программе AutoCAD. Далее устанавливают граничные условия и порты, через которые вводится и выводится мощность электромагнитного поля извне, т.е. из других радиоустройств, например клистрона или магнетрона. Особенностью CST можно считать то, что на вход анализируемого устройства можно подать сигнал в форме радиоимпульса, что приближает численный расчет к эксперименту. 13 Рис. 1.1. Интерфейс программы CST Microwave Studio На рис. 1.1. приведен главный экран программы CST Microwave STUDIO. Самые важные части его: Дерево проекта – список рабочих папок. В них сохраняются все данные задачи, начиная от структуры и кончая результатами моделирования. Плоскость черчения - пространство, в котором чертится изучаемая конструкция. С помощью различных инструментов можно изменить расположение и ориентацию плоскости рисунка. 1.3. Черчение конструкции модели Покажем операции, с помощью которых в среде CST Microwave STUDIO строятся конструкции любой сложности. На примере построения параллелепипеда, покажем основные опрации отрисовки простейших геометрических фигур, для чего: 1. Активизируйте инструмент "Brick", нажимая значок на инструментальной панели. Можно также выбрать команду Objects- >Basic Shapes->Brick из главного меню. Появится запрос выбора первой точки (Point 1) основания параллелепипеда в плоскости XoY (рис. 1.2). 14 Рис. 1.2. Вид начерченного параллелепипеда Рис. 1.3. Диалог параллелепипеда с размером 20 мм x 40 мм x 100 мм 2. Создадим первую точку Point 1, сделав двойной щелчок на плоскости чертежа. 3. Теперь можно выбрать противоположный угол основания параллелепипеда на плоскости рисунка, дважды щелкая на нем (Point 2). 4. На третьем шаге зададим высоту параллелепипеда, перемещая мышь и дважды щелкая на точку Point 3. 5. Теперь откроется диалоговое окно (рис. 1.3), которое показывает численные значения координат этих трех точек, причем координаты по каждой оси задаются в виде минимальной и максимального значения. В большинстве случаев координаты структуры должны быть введены с высокой точностью. В этом случае используется привязка к сетке (Snap), а также рабочая плоскость, которая вызывается командой Edit->Working Plane Properties (рис. 1.4). Рис. 1.4. Диалог свойств рабочей плоскости Рис. 1.5. Диалог ввода координат точки 15 В разделе Raster можно задать привязку к сетке (опцией Snap width), а также Width - размер растра сетки, выводимой на экране. Можно вводить точки по координатам – нажимая каждый раз на клавишу TAB, и вводить положение новой точки. В этом случае будет появляться диалоговое окно, в котором можно ввести координаты в выбранной системе координат (рис. 1.5). Координаты можно вводить в прямоугольной (Cartesian) или в полярной (Polar) системекоординатах. В последнем случае радиус Radius отсчитывается от начала системы координат; угол Angle отсчитывается между осью X и линией, связывающей начало координат и вершину вектора. Когда была установлена первая точка, будет доступна опция Relative. Если вы выбираете её, координаты будут вводиться не в виде абсолютных координат, а относительно последней введенной точки. Диалоговые окна координат будут всегда показывать текущее расположение курсора мыши в полях ввода данных. Часто точка должна быть установлена в центре системы координат (0,0). Если нажать Shift+TAB, откроется диалоговое окно с нулевыми значениями в координатных полях. Третий способ ввода координат - сначала чертить приближено, используя мышь и затем исправлять значения в диалоге. Вы можете пропускать определение точек, используя мышь, нажимая клавишу ESC. В этом случае сразу откроется диалоговое окно параметров объекта. После двойного нажатия клавиши ESC, создание формы может быть прервано. Нажатие клавиши Backspace удаляет последнюю выбранную точку. Есть еще один способ создания параллелепипеда. Когда нужно выбрать противоположный угол основания параллелепипеда, заранее можно задать линии границ стороны. В этом случае, будет запрос на задание ширины параллелепипеда, перед заданием высоты. В этом случае координаты будут подготовлены к параметризации, что весьма полезно для построения, например, микрополосковой линии, идущей по центру подложки. Поскольку выбор двух точек на линии весьма чувствителен к положению мыши, движение мыши будет ограничено смещениям на 90 ° от первой точки, когда удерживается клавиша Shift, при перемещении курсора мыши перемещается поперек экрана. На рис. 1.6 показаны все примитивы, которые могут быть созданы способом, аналогичным черчению параллелепипеда (как описано выше). 16 Рис. 1.6. Примитивы, используемые в CST 1.4.Группировка объектов по компонентам После того, как форма была начерчена, она автоматически каталогизируется в дереве проекта. Все созданные объекты находятся в папке Components. Имя для каждого объекта назначается в диалоговом окне, в котором он создан. Заданные по умолчанию имена начинаются с "solid", а для обозначения последующих аналогичных объектов к этому слову добаляются порядковые номера: solid1, solid2..., и т.д. Объект можно выбрать, нажимая на соответствующий элемент в дереве проекта. Обратите внимание, что после выбора формы она будет отображена как твердое тело, в то время как все другие формы становятся прозрачными. Так CST MWS показывает выбранные объекты. Объект может также быть выбран двойным щелчком на нём в основном окне. Это можно сделать также, выбирая соответствующий пункт в дереве проекта. Можно изменить имя объекта, выбирая его и затем используя команду Edit->Rename Object из строки меню или нажимая клавишу F2. Имя формы можно также изменить, редактируя элемент в дереве хронологии, что будет показано ниже в примере. 17 1.5. Просмотр конструкции В любое время можно изменить вид структуры (даже во время генерирования новой формы) простыми командами. Вид изменится всякий раз, когда вы перемещаете мышь, удерживая левую кнопку. Характер изменения зависит от выбранного режима. Режим может выбран из главного меню командой View->Mode->Rotate/Rotate View Plane/Pan/Zoom/ Dynamic Zoom или нажимая соответствующий значок на инструментальной панели: Рис. 1.7. Операции изменения вида Эти операции изменяют вид структуры на экране. Командой View->Reset View можно вернуться к первоначальному виду изображения. Полезная команда View->Reset View to Structure выполняется нажатием на клавишу Space. Эта команда изменит масштаб изображения любой структуры так, что она будет точно вписана в окно черчения. Изменение вида часто используется при создании чертежа конструкции, поэтому полезно знать некоторые сочетания клавиш. Так нажимая левую кнопку мыши и выполняя: Ctrl: - осуществляется режим "вращения", Shift: - режим " вращение в плоскости ", Shift + Ctrl: - режим "панорамирование". Вращение колесика мыши также изменяет размер изображения. Имеются некоторые параметры настройки для управления видом модели. Эти параметры настройки могут быть определены выбиром соответствующих команд из меню View. Кроме этого, эти установки могут быть выбраны нажатием левой кнопки мыши на иконки инструментальной панели (рис. 1.8). Рис. 1.8. Операции по изменению вида структуры и сетки Поясним смысл этих команд. Axes (View->Draw Axis, Ctrl+A): - по этой команде на плоскости появляется или удаляется система координат (рис. 1.9). 18 Рис. 1.9. Удаление и добавление осей системы координат на чертеж Рис. 1.10. Удаление и добавление сетки на чертеж Working plane (View->Draw Working Plane, Alt+W): - этой операцией можно определить, является ли плоскость рисунка видимой или нет (рис. 1.10). Рис. 1.11. Переход к каркасному представлению модели Wireframe (Каркас) (View->Wireframe, Ctrl+W): - эта операция переключает показ модели или в виде ребер, или как объемное твердое тело (рис. 1.11). 1.6. Геометрические преобразования После черчения одного или нескольких примитивов, над ними можно выполнить геометрические преобразования. Для этого сначала нужно выбрать форму, к которой нужно применить преобразование (дважды щелкая на ней). Преобразование выполняется командой Objects->Transform Form, выбирая пункт Transform из контекстного меню, или нажимая на инструментальной панели. В появившемся диалоговом окне (рис. 1.12) можно выбрать одно из следующих преобразований: - Translate: сдвиг формы по заданному вектору сдвига. - Scale: масштабирование формы по координатным осям. Можно задать различные масштабные коэффициенты по различным координатным направлениям. - Rotate: это преобразование применяет вращение формы вокруг координатной оси установленным углом. Вы можете дополнительно 19 определить центр вращения в поле Origin. Вращение можно выполнить или вокруг центра формы (центр рассчитывается автоматически) или вокруг любой указанной точки. Угол вращения и параметры настройки оси определяются, вводя соответствующий угол (например, ввод 45 в поле y выполняет вращение вокруг оси Y на 45 °.) - Mirror (зеркальное отражение): Эта операция позволяет выполнить зеркальное отражение формы от указанной плоскости. Точка на плоскости определяется в поле Origin, и вектором, нормальным к плоскости. При всех этих преобразованиях первоначальную форму можно сохранить или удалитьа. Кроме того, Вы можете определить в поле Repetitions, сколько раз то же самое преобразование должно примениться к форме (каждый раз генерируя новую форму, когда активна опция Multiple objects). Предположим, что был выбран параллелепипед. Откройте диалоговое окно преобразования, выбирая соответствующий элемент в меню (или Objects->Transform). Теперь выполним сдвиг этого объекта в направлении векторе (5, 0, 0) и создадим несколько объектов, применяя преобразование трижды (рис. 1.12). Рис. 1.12. Трансформация выбранных объектов Рис. 1.13. Результат трансформации объекта Solid1 Окончательно получаются три формы, показанные на рис. 1.13. Обратим внимание, что для каждого нового объекта имя формы или сохраняется, или дополняется индексами _1, _2, и т.д. чтобы получить различные имена для форм. 20 1.7. Использование логических операций Пожалуй, наиболее функциональной операцией для создания сложных структур является комбинирование простых форм посредством логических (булевых) операций. Эти операции позволяют объединить две и более форм, вычесть одну форму из другой, вставлять формы друг в друга и выбирать результаты пересечения двух формы. Соответствующие булевы операции доступны из главного меню, выбирая соответствующие команды: Objects- >Boolean->Add/Subtract/ Intersect/Insert . Подобные операции доступны также и в диалоговом окне пересечения форм (Shape intersection), которое появляется, когда начерчен объект, который пересекает или касается других объектов. Для примера рассмотрим две формы - параллелепипед и сферу, на которых выполним булевы операции. Все операции доступны, когда выбрана первая форма. После этого активизируется булева операция, и появится запрос выбрать вторую форму. Добавление (Add) параллелепипеда к сфере: Прибавление второй формы к первой. Полученная форма сохраняет имя и материал первой формы. Вычитание (Subtract) сферы из параллелепипеда: Вычитание второй формы из первой. Результирующая форма сохраняет имя и материал первой формы. Пересечение (Intersect) сферы и параллелепипеда: Пересечение первой формы со второй. Сохраняет имя и материал первой формы. 21 Вставка (Insert) сферы в параллелепипед / Врезка (Trim) параллелепипеда в сферу: Вставка второй формы в первую. Сохраняет обе формы при изменении только первой формы так, что обе формы не будут иметь пересечений. Впечатывание сферы в параллелепипед (Imprint) Сфера будет впечатана в параллелепипед. Обе формы сохраняются, и первая форма остается неизмененной. Фаски второй формы будут разрезаны по кривой пересечения с первой формой. Операцией выбора может независимо выделить каждую часть расщепленных фасок. Обратим внимание, что не все эти булевы операции непосредственно доступны. Как видно, некоторые из операций избыточны (например операция trimmed может быть заменена операцией insert, когда порядок форм реверсирован.) 1.8. Выбор точек, граней или сторон модели Многие шаги конструирования требуют выбора точек, граней или сторон трехмерной модели. Эти объекты можно выбрать курсором. Для каждой из так называемых "операций выбора" сначала нужно выбрать соответствующий инструмент указки, из пункта меню Objects->Pick- >Pick Points, или из инструментальной панели (рис. 1.14). Рис. 1.14. Операции выделения частей объектов 22 После нажатия на одну из этих иконок, курсор мыши изменит вид. В дополнение к этому, все выбираемые элементы конструкции (точки, грани или поверхности) будут подсвечены в модели. После этого можно дважды щелкнуть на нужном элементе (точке, грани или лицевой поверхности) и он будет выделен. В главном виде появляются точные координаты указанных точек. Нажимая на клавише ESC, или нажимая мышкой значок на инструментальной панели можно отменить режим выделения. Однаконельзя выбрать грани или поверхности формы, когда выбрана другая форма. В этом случае нужно снять выделение всех форм и далее снова выбрать нужную выделяемую форму. Как только вы дважды щелкаете в основном виде, режим указки будет выполнен и выбранная точка, грань или фаска будет подсвечена. Обратим внимание, что если символ нажат в инструментальной панели, операция указки не будет выполняться после двойного нажатия. В этом случае Вы должны отменить режим указки, как описано выше. Этот режим полезен, когда нужно выбрать несколько точек, граней или поверхностей, и было бы долго повторно вводить режим указки несколько раз. Перечислим режимы указки и какой эффект будет от этого выбора. В скобках указаны горячие клавиши, которые ускоряют выполнение этих команд. • Pick edge end points (P): Дважды щелкните на конечной точке ребра, и она будет выбрана. • Pick edge mid points (M): Дважды щелкните на ребре. Будет выбрана точка в середине этого ребра. • Pick circle centers (C): Дважды щелкните на гране круга. Будет выбрана средняя точка на круге. Отметим, что грань не обязательно должна принадлежать замкнутому кругу. • Pick circle centers (R): Дважды щелкните в центре круга. Появится точка на круге. Эта операция полезна для определения радиуса. • Pick points on circles (A): Дважды щелкните на плоскости круга. Будет выбрана средняя точка на плоскости круга. • Pick edges (E): Дважды щелкните на грани модели, и тогда она будет выбрана. • Pick faces (F): Дважды щелкните на стороне модели, и она будет выбрана. • Chane Pick edges (Shift+E): Эта операция позволят выбрать связанную цепочку свободных граней. Если выбранная грань связана с двумя фасками, появится диалоговое окно, в котором можете определить, какая из двух возможных граней, ограничивающих фаски, будет выбрана. В обоих случаях цепочка выбора останавливается на ранее выбранных точках. 23 • Chane Pick faces (Shift+F): Дважды щелкните на стороне модели. Тогда автоматически выделятся всё плоскости, связанные с выбранной стороной. Операции указки для выбора точек модели полезны при последовательном создании форм. В этом случае требуется двойной щелчок, чтобы ввести следующую точку. Операцией Edit -> Info можно получить данные о выделенном объекте. Выбранные точки, грани или поверхности могут быть сняты, используя команду Objects->Clear Picks (нажимая D или нажимая значок на инструментальной панели). 1.9. Скругление и срезание граней Одна из простых, но важных операций с выбранной гранью - скругление их кромок и срезание их под углом. Пусть создан параллелепипед и выбраны некоторые из его граней, как показано на рис. 1.15. Теперь можно выполнить операцию срезания кромок командой Objects - >Chamfer Edges или нажимая значок на инструментальной панели. В появившемся диалоговом окне можно задать ширину среза кромок (рис. 1.16). Альтернативно можно скруглить края, выбирая команду Objects->Blend Edges в основном меню или, нажимая значок на инструментальной панели. В повившемся диалоге нужно задать радиус скругления. Результат скругления показан на рис. 1.17. Экструзия, вращение верхней плоскости Начертим и выделим круг, который должен стать верхней лицевой гранью цилиндра (рис. 1.18). Рис. 1.15. Срезание краев Рис. 1.16. Задание ширины и угла среза Рис. 1.17. Скругление ребер 24 Рис. 1.18. Выделение фаски цилиндра Рис. 1.19. Операция создания трехмерного объекта по стороне Теперь мы можем превратить её в трехмерный объект, выбирая операцию Objects->Extrude ( ). Когда выбраны плоскость или поверхность цилиндра, по этой команде выполняется растяжение выбранной поверхности. Появляется диалоговое окно (рис. 1.20), в котором устанавливается параметр растяжения Height=4 мм. Если никакая плоскость не выбрана заранее, будет активизирован режим, в котором Вы можете задавать точки многоугольника для профиля вытеснения. Однако, в данном примере Вы должны ввести высоту (рис. 1.20) и нажать OK. Рис. 1.20. Результат операции вытеснения Рис.1.21.Выделение фаски объекта Для выполнения вращения, Вы должны задать команду выделения фаски. Выполнение вращения требует ввода оси вращения. Ось вращения может или быть линией или каким-либо выбранным ребром модели. В данном примере определим край, выбирая команду Objects->Pick- >Edge from Coordinates (x/y). Далее нужно выбрать две точки в плоскости 25 рисунка, чтобы определить ось вращения. Выберите две точки, как на рис. 1.22. Рис. 1.22. Выбор двух точек, для создания оси вращения После ввода в этом диалоге координат ребра, нажмите OK, чтобы начертить ребро. После этого активизируем вращение фаски командой Objects->Rotate (рис. 1.23). Рис. 1.23.Выполнение операции Rotate Face Предварительно выбранная ось вращения автоматически выбирается в плоскости поверхности (синий вектор) и открывается диалог инструмента вращения. В этом диалоге нужно задать угол вращения (например 90 ْ◌ ) и нажать OK. Окончательная форма должна выглядеть как на рис. 1.24. 26 Рис. 1.24. Прокрученный на угол круг Рис. 1.25. Операция преобразования цилиндра (трансформация) Заметим, что сначала не выделена никакая фаска, то команда вращения вызывает поточечный способ создания многоугольника, так же, как и операция вытеснения. Одна из удобных геометрических операций - генерирование плавного перехода между выбранными фасками. Например, создадим модель (рис. 1.25), начертив цилиндр (с радиусом 5 и высотой 3) и преобразуя его по оси, используя опции Multiple objects (например, на коэффициент (0,0,8)). После этого выберем преобразованный цилиндр и применим к нему преобразование Loft, сжимая его размер по x и y на коэффициент 0.5 при сохранении масштаба по оси z, равным 1.0. Теперь мягко свяжем смежные верхние и нижние фаски двух цилиндров, как показано на рис. 1.27. Это можно выполнить командой Objects->Loft ( ). В появившемся диалоге рис. 1.26 можно установить нужную гладкость и нажать кнопку Preview , чтобы видеть полученную форму. Переместите движок Smoothness так, что форма имела относительно плавный переход между двумя выбранными фасками, и нажмите Ok. Рис. 1.26. Установка параметров трансформации цилиндра Рис. 1.27. Слияние форм В результате модель должна выглядеть как на рис. 1.27 (фактическая форма зависит от установки параметра Smoothness). Наконец вы можете объединить все формы, используя многократно операцию Objects->Boolean->Add. Теперь вы можете выбирать две плоских верхних и нижних фаски формы, выбирать форму, дважды нажимая на ней и задать команду Objects->Shell. 27 Рис. 1.28. Задание толщины 0.3 Рис. 1.29. Окончательная форма В этом диалоге вы можете задать толщину Thickness = 0.3 и нажать Ok. После этого модель выглядит как показано на рис. 1.29. Выделение двух фасок перед вводом операции Shell дает в результате то, что выбранные фаски будут открытыми в открываемой структуре. Если никакие фаски не выбраны, структура будет иметь впадину. Ошибки во время создания структуры всегда можно исправить, используя команду Edit->Undo, которая удаляет самый последний шаг построения. Однако иногда нужно возвратиться к предыдущему шагу в создании структуры, чтобы изменять, удалять или вставить некоторые действия. Это можно выполнить через список хронологии. Все команды создания структуры находятся в списке, который можно видеть, выбирая Edit->History List или нажимая на инструментальной панели. 1.10. Локальные системы координат Помимо булевых операций, большую гибкость черчения дают локальные системы координат. Ранее мы описали, как создать простые формы, которые создаются в глобальной фиксированной системе координат. Локальная система координат позволяет выполнить черчение форм даже, когда они не выровнены с глобальной системой координат. Локальная система координат состоит из трех координатных осей. В отличие от x, y и z осей глобальной системы координат, эти оси будут осями u, v и w. Локальная система координат называется также рабочей системой координат (WCS). Локальная или глобальная система координат могут быть активной в любое время. "Активная" здесь означает, что геометрия с этого момента определяется в этой системе координат. 28 Активировать локальную систему координат можно командой WCS->Local Coordinate System в основном меню, из выплывающего при нажатии на правую кнопку мыши меню, или нажимая иконку на инструментальной панели. Каждый из этих команд может вывести локальную систему координат или удалить её. Теперь опишем, как задается локальная система координат (WCS) и как располагать её оси по желанию. Самый общий способ ориентации локальной системы координат состоит в том, чтобы выбрать точки, грани или фаски на модели и поставить WCS на этом объекте, причем: • Когда выбрана точка, начало локальной системы координат может быть переведено в эту точку командой W: WCS->Align WCS with Selected Point • Когда выбраны три точки, u/v плоскость WCS может быть выровнена с плоскостью, определенной этими точками (WCS->Align WCS with 3 Selected Point ). Дополнительно эта функция переместит начало координат WCS в первую выбранную точку. • Когда выбрана грань, u-ось WCS может ориентироваться по ней так, что она ставится параллельно выбранному краю (WCS->Align WCS with Selected Edge ). • Наконец, может быть выбрана поверхность, с которой выравнивается плоскость u/v WCS командой WCS->Align WCS with Selected Face После выбора точки, грани или поверхности, можно нажать клавишу W, чтобы выровнять WCS с последним выбранным элементом. Вместе с доступными сочетаниями клавиш для режима указки, это - наиболее эффективный способ расположения и ориентации WCS. Помимо способности выравнивать WCS различными способами с объектами, выбранными в модели, есть три опции управления локальной системой координат: • Определение параметров локальной системы координат непосредственно: ( WCS -> Define Local Coordinates ). В появившемся диалоге можно непосредственно ввести начало системы координат и ориентацию w - оси и u - оси. • Сдвиг локальной системы координат: ( WCS->Move Local Coordinates ). В появившемся диалоге можно ввести параметры сдвига начала локальной системы координат. • Вращение локальной системы координат: ( WCS->Rotate Local Coordinates ) используя это диалоговое окно, можно вращать локальную систему координат вокруг одной из её осей на заданный угол. Большинство операций на локальной системе координат также доступно из инструментальной панели WCS (рис. 1.30). 29 Рис. 1.30. Операции создания и редактирования локальной системы координат Следующий пример показывает операции с локальной системой координат. Сначала создадим параллелепипед в глобальных координатах (рис. 1.31). Затем выполним вращение параллелепипеда вокруг оси Z на 30 ْ◌ , используя операцию вращения. Рис. 1.31. Вращение объекта на 30 град по оси Z На следующем шаге активизируем локальную систему координат и выровняем ее, во-первых, с верхней стороной параллелепипеда, затем с одной из вершины верхней стороны (рис. 1.32). 30 Рис. 1.32.Выравнивание рабочей системы координат с фаской и с вершиной Затем выровняем систему координат с одной из граней параллелепипеда (рис. 1.33), а затем выполним её вращение на 10º вокруг v - оси: Рис. 1.33. Вращение системы координат на 10 градусов Наконец создайте новый цилиндр в локальной системе координат. Как только вы начертили цилиндр, откроется диалоговое окно с запросом о булевой комбинации из двух пересекающихся форм. В этом диалоговом окне выберите команду Add и нажмите OK. В результате получается форма рис. 1.34. 31 Рис. 1.34. Окончательная форма параллелепипеда с наклоненным на 10 градусов цилиндром 1.11.Хронология создания модели Итак, при создании структуры, мы использовали примитивы и выполнили ряд геометрических преобразований. Ошибки во время создания структуры можно всегда исправить, используя команду Edit ->Undo, которая удаляет самый последний шаг проектирования. Однако иногда нужно возвратиться на несколько шагов и создать структуру, в которой будут изменены, удалены или вставлены некоторые операции. Эта типичная задача поддержана посредством списка последовательности выполнения операций History List. Все модификации структуры сохраняются в списке, который можно увидеть, выбирая Edit->History Lists или, нажимая значок на инструментальной панели. Допустим, что ранее создана структура, состоящую из параллелепипеда и цилиндра, как показано в последнем разделе. В этом случае, список хронологии будет соотвествовать рис. 1.35. 32 Рис. 1.35. Список хронологии созданной конструкции Рис. 1.36. Редактирование строки хронологического списка Список показывает все действия в хронологическом порядке. Маркер указывает текущую позицию создания конструкции в списке хронологии. Вы можете восстанавливать создание структуры на любом шаге в списке хронологии, выбирая эту операцию и нажимая Restore. Нажимая кнопку Step, будет выполнен переход на следующий шаг в списке хронологии. Нажатие команды Modify полностью восстановит структуру. Кнопка Edit позволяет выполнить переход на предыдущие действия. В этом случае нужно выбрать “WCS. Rotate «V»” и нажать кнопку Edit. Появится диалог рис. 1.36. Текст - фактически команда на макро языке, которая будет выполняться. Параметр “V” является осью вращения, а второй параметр определяет угол вращения. Изменим угол вращения на 30º и нажмем OK. Чтобы восстановить структуру, перейдите назад в список хронологии, и нажмите кнопку Modify. Структура перечертится и будет выглядеть как на рис. 1.37. 33 Рис. 1.37. Сложная модифицированная форма Возможности редактирования хронологии позволяют быстро изменить модель, а также легко возвратить первоначальную структуру. Однако, нужна осторожность, при изменении команд, которые приводят к сильным топологическим изменениям модели. Это часто случается, когда удалены некоторые объекты в хронологии, или вставлены новые объекты. Может быть и выбор неправильной точки, грани, или поверхности. Например, предположим, что вы удалили создание первого параллелепипеда из списка хронологии. В этом случае выделение поверхности параллелепипеда, чтобы выровнять WCS с этой поверхностью, очевидно потерпит неудачу. Предположим, что в предыдущем примере нужно изменить радиус цилиндра. Можно открыть лист хронологии и отредактировать цилиндр. Однако можно также выбирать соответствующую форму, дважды нажимая на ней или выбрать команду Edit ->Object Properties или Properties из контекстного меню. 34 Рис. 1.38. Дерево хронологии Рис. 1.39. Параметры цилиндра Теперь можно просто нажать и выделить имя “Define cylinder” (рис. 1.38). Как только вы выберите редактируемую операцию в History Tree, соответствующий элемент структуры будет высвечен в главном окне. Нажимая кнопку Edit в блоке диалога History Tree, диалог создания цилиндра открывает параметры цилиндра (рис. 1.39). Рис. 1.40. Изменение положения цилиндра в сложной конструкции Вы можете теперь изменить радиус цилиндра и нажать кнопку Preview. Видим, как изменения влияют на модель. После этого нажмите на OK, чтобы модифицировать структуру до вида, показанного на рис. 1.40. 35 1.12. Создание искривленных линий Ранее было показано, как модель может быть создана из трехмерных примитивов и их модификаций, используя мощные действия типа суммирования, растягивания, вычитания и т.д. Другой метод создания сложных форм основан на так называемых кривых. Кривая (curve) - трехмерная линия, которая чертится в плоскости. После того, как кривая была начерчена, она может использоваться для создания более сложных конструкций. Покажем моделирование с помощью кривых. Во-первых, создадим кривую командой Curves ->New Curve ( ) из главного меню. Эта операция создаст новый элемент, названный “curve1” в папке Curve дерева проекта. Теперь нужно активизировать создание прямоугольника, выбирая команду Curves->Rectangle ( ) перед черчением прямоугольника на рабочей плоскости. На следующем шаге начертим круг, который перекрывается с одной из граней прямоугольника. Черчение круга выполняется командой Curves- >Circle (рис. 1.41). Рис. 1.41. Начерченные на одной плоскости окружность и прямоугольник Рис 1.42. Объединенные одномерные кривые В результате теперь мы имеем две компоненты: rectangle1 и circle1. Они находятся также в дереве проекта. На следующем шаге построим сложную кривую так, что окончательная кривая содержала только внешние линии обеих кривых. Чтобы сделать так, сначала нужно выделить один из объектов, например rectangle1 (или 36 нажимая на имя в дереве проекта). Далее выбираем команду Curves -> Trim Curve из главного меню. Теперь будет запрос о выборе элемента, который будет объединен с прямоугольником. Выберите круг, и нажмите Return. Далее дважды нажмем на тех сегментах, которые нужно удалить из модели. Когда вы перемещаете мышь на экране, все выбираемые сегменты кривой будут высвечиваться. Теперь удалим два сегмента так, чтобы результат получился как на рис. 1.42. Нажатие Enter завершает операцию. Теперь можно инициировать локальную систему координат и вращать эту форму вокруг u-оси. Это нужно, чтобы выровнять локальную систему координат так, чтобы на следующем шаге нужно создать новую кривую (Curves ->New Curve) и начертить разомкнутый многоугольник, состоящий из трех точек в плоскости черчения (Curves ->Polygon). Этот треугольник в пространстве будет принадлежать последней созданной кривой curve2. Рис. 1.43. Черчение траектории для свипирования профиля Используя эти два созданных объекта – кривую и незамкнутый треугольник, создадим твердое тело, используя операцию свипирования. Эта операция вызывается командой Curves->Sweep Curve из главного меню. Как только эта операция инициирована, появится запрос выбрать профиль. Дважды нажмите на кривой, состоящей из прямоугольника и круга. После того, как профиль выбран, требуется дважды щелкнуть на линию тракта, которая задается ломаной линией (рис. 1.43). 37 Рис. 1.44. Операция свипирования формы по пути Рис. 1.45. Создание трехмерной модели После закрытия диалога рис. 1.44, окончательно трехмерная форма будет выглядеть как на рис. 1.45. Это краткое введение в черчение дает понимание мощных инструментальных средств черчения структуры в CST Microwave Studio. Локальные модификации импортируемой модели В предыдущих разделах были рассмотрены изменения конструкции, которая была полностью создана в SCT MWS. Программа SCT Microwave Studio позволяет импортировать 3D-конструкции, созданные в других конструкторских программах, и тогда в импортируемой модели отсутствует информация относительно хронологии моделирования. В этом случае структура может быть параметризирована, используя локальные модификации (Local Modifications). Прежде, чем использовать эти расширенные возможности, создадим сначала создать структуру, показанную на рис. 1.46 (параллелепипед, объединенный с цилиндром и с выполненной операцией срезания передней кромки цилиндра). 38 Рис. 1.46. Импорт и параметризация импортируемого объекта В этой структуре нужно сначала использовать операцию выбора фаски, чтобы выбрать срезаемую поверхность. После этого вы можете вызвать команду Objects ->Local Modifications->Remove Feature из меню. По этой команде свойство срезания убирается. Отметим, что в разделе импорта, можно видеть и команду Voxel Data…, по которой импортируется биологическая модель тела человека. 1.13. Задание свойств материалов Для выполнения моделирования реальных конструкций нужно учитывать различные свойства материалов. Двумя базовыми средами являются вакуум (Vacuum) и идеально проводящий материал (Perfect Electrically Conducting, PEC). Другие более сложные материалы могут быть заданы в диалоге материалов. Каждый материал характеризуется своим уникальным именем и может быть задан своим цветом и прозрачностью для выделения его в общей конструкции. Полагая характеристики линейными в частотной области ω, параметры диэлектрических и магнитных материалов определяются коэффициентами пропорциональности между электрическим полем и электрической индукцией, а также между магнитным полем и магнитной индукцией, соответственно: ) ( ) ( ) ( ω ω ε ω E D r r r ⋅ = (1.1) ) ( ) ( ) ( ω ω μ ω H B r r r ⋅ = (1.2) 39 Материальные свойства могут быть определены или как Normal, описывающие изотропные среды, или с учетом анизотропии характеристик. Проводящие материалы Введение потерь в материале ведет к комплексной диэлектрической или магнитной проницаемости. Это значит, что параметры материалов имеют действительную и мнимую составляющие, обе – частотно зависимые. Потери вводятся через углы диэлектрических или магнитных потерь или соответствующие значения их тангенсов: [ ] ) ( tan( 1 ) ( ' ) ( '' ) ( ' ) ( ω δ ω ε ω ε ω ε ω ε e i i − = − = (1.3) и [ ] ) ( tan( 1 ) ( ' ) ( '' ) ( ' ) ( ω δ ω μ ω μ ω μ ω μ m i i − = − = (1.4) Отсюда значения тангенсов определяются отношением между мнимой и действительной частями комплексных проницаемостей, взятым со знаком «минус»: ) ( ' ) ( '' )) ( tan( ω ε ω ε ω δ = e ) ( ' ) ( '' )) ( tan( ω μ ω μ ω δ = m (1.5) Помимо дисперсионных моделей, в CST MWS существуют также другие возможности описания потерь. Например, одно определение описывает следующую модель проводимости: ω ε ω ε k i − = ) ( , (1.6) где a k ε σ / = , а σ - проводимость материала. Эта модель характеризуется частотно независимой проводимостью, однако величина тангенса угла потерь является частотно зависимой (рис. 1.47). 40 Рис. 1.47. Частотная зависимость tg δ для различных моделей Для реализации постоянного значения или для задания дисперсионной зависимости тангенса угла потерь, в MWS используется внутренняя дисперсионная модель Дебая. На рис. 1.47 показана дисперсионная зависимость тангенса угла потерь для такой модели. Видно, что она менее частотно зависима, чем модель проводимости. Металл с потерями В CST MWS имеется возможность моделировать эффект проникновения электромагнитного поля внутрь хорошего, но неидеально проводящего проводника, используя одномерную модель поверхностного импеданса. Эта модель учитывет скин-эффект без дополнительного разбиения на сетку для таких материалов. Важно, однако, помнить, что такая модель является физически корректной только для определенной области частот, определяемой размером моделируемого тела и такими его свойствами, как проводимость σ и магнитная проницаемость μ . Металл должен являться очень хорошим проводником (т.е. иметь высокую σ ) или, другими словами, быть материалом с высоким значением тангенса угла диэлектрических потерь ωε >> k , 1 ) tan( >> e δ Это определяет верхний предел применимых частот, но, с другой стороны, частотно зависимая толщина скин-слоя, на которую проникает поле, равна k ωμ δ 2 = , (1.7) где k определено выше. Толщина скин-слоя должна быть меньше, чем толщина d соответствующего слоя металла. Это, в свою очередь, определяет наименьшую рабочую частоту 41 ( ) 2 2 d F k ⋅ >> μ ω , (1.8) используя весовой коэффициент 2 0 ≈ F Обе границы частот определяют, таким образом, частотный диапазон верификации для материала данного типа. Для описания материала на низких частотах, его необходимо задавать, используя тип материала Normal с заданием проводимости. Поэтому при проведении расчетов в диапазоне частот, весь интервал частот необходимо разделить на два интервала. Частотно-зависимые свойства материалов Для учета частотной дисперсии материала при широкополосных расчетах в CST MWS имеются дисперсионные модели вплоть до 2-го порядка. Они учитывают эффекты затухания электромагнитной волны и резонанса ( relaxation and resonance effects ) в плазме или гиротропной среде. В любом случае микроприрода материалов заменяется описанием диэлектрической или магнитной проницаемости в частотной области. Процесс затухания Релаксационный процесс, учитываемый в модели Дебая 1-го порядка, характеризуется следующим выражением для диэлектрической проницаемости, содержащим время затухания τ : ωτ ε ε ε ω ε i s r + − + = ∞ ∞ 1 ) ( ) ( (1.9) Модель Дебая 2-го порядка представляет собой суперпозицию двух различных моделей 1-го порядка (рис. 1.49), имеющих ту же предельную частоту. Рис. 1.49. Диперсионные характеристики модели Дебая 1 порядка Резонансный процесс 42 Модель Лоренца описывает резонансные свойства среды по формуле, которая включает резонансную частоту ω 0 и коэффициент затухания δ : 2 2 0 2 0 ) ( ) ( ω ωδ ω ω ε ε ε ω ε − + − + = ∞ ∞ i s r (1.10) Рис. 1.49. Процесс релаксации среды Рис. 1.50. Резонансный процесс в среде На рис. 1.49, 1.50 показаны частотные зависимости реальных и мнимых частей диэлектрической проницаемости. На рис. 1.49 релаксационный процесс представляется дисперсионной моделью Дебая 1-го порядка. Время релаксации определяет диапазон частот, в котором имеет место значительные изменения параметров. В отличие от этого, на рис. 1.50 кривая Лоренца показывает резонансную характеристику среды. Обе модели также применимы и к описанию магнитной дисперсии, например, частотно зависимой магнитной проницаемости. Рис. 1.51. Дисперсионная характеристика модели Лоренца 43 Холодная плазма Холодная плазма характеризуется дисперсией Друде (рис. 1.52). Эта модель описывает группу положительно и отрицательно заряженных носителей, при условии пренебрежения тепловым движением электронов. Вводя понятие плазменной частоты ω р , выражение для диэлектрической проницаемости имеет вид ) ( ) ( 2 c p r i ν ω ω ω ε ω ε − + = ∞ (1.11) Торможение зарядов в плазме достигается за счет столкновения частиц друг с другом и описывается с помощью частоты столкновений υ c Рис. 1.52. Дисперсионная характеристика диэлектрической проницаемости для модели Друде Базовые дисперсионные модели Все упомянутые выше дисперсионные модели могут быть описаны в форме общей постановке полиномиальной задачи. Для случая диэлектрической дисперсии соответствующие выражения для моделей 1-го и 2-го порядка: ω α β ε ω ε i + + = ∞ 0 0 ) ( (1.12) 2 1 0 1 0 ) ( ω ωα α ωβ β ε ω ε − + + + = ∞ i i (1.13) Параметры этих моделей задаются в диалоге дисперсионных свойств материала ( Dispersive Material Parameters ), или используя табличный ввод данных в диалогах Dielectric Dispersion Fit или Magnetic Dispersion Fit 44 Рис. 1.53. Дисперсионная характеристика диэлектрической проницаемости Дебая 2-го порядка Гиротропная среда Когда в среде с холодной плазмой имеется однородное поле подмагничивания, то свойства материала могут быть описаны гиротропным тензором диэлектрической проницаемости. Если имеется поле подмагничивания в направлении оси Z, получаем следующее выражение для тензора ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = ) ( 0 0 0 ) ( ) ( 0 ) ( ) ( ) ( 3 1 2 2 1 0 ω ε ω ε ω ε ω ε ω ε ε ω ε r (1.14) где 2 2 2 1 ) ( ) ( ) ( b c c p i i ωω ν ω ω ν ω ω ε ω ε − − − + = ∞ (1.15) , 2 2 2 2 ) ( ) ( b c b p i i ωω ν ω ω ω ω ω ε − − − = (1.16) и ) ( ) ( 2 3 c p i ν ω ω ω ε ω ε − − = ∞ (1.17) , причем e b m eB 0 = ω (1.18) Здесь ω p - плазменная частота, ω b - циклическая частота, которая находится из круговой траектории электронов с зарядом e и массой m e в постоянном поле подмагничивания B 0 . Торможение, осуществляемое из- за столкновения частиц друг с другом, описывается частотой столкновений ν c Ферриты (магнитные гиротропные среды) 45 Воздействие статического магнитного поля на ферритовые материалы приводит к дисперсионным и изотропным параметрам магнитной проницаемости. В работе такие материалы невзаимные и находят широкое применение в таких устройствах СВЧ, как циркуляторы или вентили. Подобные среды называют магнитно гиротропными или гиромагнетиками и, в предположении сосредоточенной вдоль оси Z намагниченности, описываются тензором магнитной проницаемости ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = 1 0 0 0 ) ( ) ( 0 ) ( ) ( ) ( 1 2 2 1 0 ω μ ω μ ω μ ω μ μ ω μ r (1.19) где 2 2 1 ) ( ) ( ) ( ω ωα ω ωα ω ω μ ω μ − + + + = ∞ i i l l m (1.20) и 2 2 2 ) ( ) ( ω ωα ω ωω ω μ − + = i i l m (1.21) Здесь гиромагнитная частота ω l = Γ μ 0 H 0 (со статическим полем подмагничивания H 0 ) и гиротропная частота ω m = Γμ 0 M S связаны с плотностью магнитного потока и намагниченностью насыщения M S при помощи гиромагнитного отношения Г=ge/2 m e . Этот коэффициент рассчитан по коэффициенту Lande g , значению заряда e и массы электрона m e . Коэффициент демпфирования α связан с шириной резонансной линии Δ H по формуле ω μ α 2 0 H Г Δ = (1.22) Заметим, что это описание материала дается в единицах СИ. Однако, ферритовые параметры, такие как коэффициент Lande, намагниченность насыщения и ширина резонансной линии часто задаются в системе Гаусса. Для удобства, диалог Dispersive Material Parameters предлагает обе возможности. Для расчета во временной области, однородное поле смещения может быть назначено к каждому материалу. Смещение феррита в неоднородной среде Для случая, когда рассматривается неоднородное поле смещения, (в этом случае используется решение в частотной области, используя разбиение на тетраэдры), сначала рассчитывает магнитостатическое поле. Затем солвер использует это поле смещения для определения свойств феррита. Чтобы задать модель, активизируйте опцию Calculate static B-field for Ferrites в разделе Special Frequency Domain Solver Parameters , и запустите солвер. Свойства материала задаются в диалоге Dispersive Material Parameters изменяя начальное разбиение даже если magnetic field vector или biasing 46 direction и частота Larmor frequency переписываются с соответствующими величинами для магнитостатического поля. Рекомендуется задавать свойства материалов в системе Гаусса, когда коэффициент Ланде можно задать непосредственно. Частота Larmor frequency пропорциональна полю смещения, с коэффициентом, содержащем коэффициент Ланде. Нелинейные материалы Для магнитостатических вычислений, нелинейные свойства материалов могут быть определены функцией магнитной индукции B от магнитного поля H (рис. 1.54) Рис. 1.54. Характеристики зависимости μ от силы магнитного поля Кроме электрических и магнитных характеристик материала, также может быть определено значение плотности материала. Этот параметр необходим для расчета SAR на этапе постобработки данных. При расчете распределения тепла каждому материалу в структуре нужно задать температурную проводимость. Рифленые стенки Модель рифленой стенки можно использовать только при решении в частотной области с тетраэдральным разбиением. Поверхностный импеданс такой стенки рассчитывает по геометрии профиля стенки. ) tan( 0 0 0 d k t w w j Z ε μ + = (1.23) Здесь w - ширина воздушного зазора, t - ширина зубца (которая должна быть меньше чем десятая часть ширины воздушного зазора), а d - глубина, |