TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009
1
MÔ PHỎNG TRƯỜNG ĐIỆN TỪ
TRUYỀN TRONG TẾ BÀO TEM BẰNG HỆ THỐNG TLM-3D
SIMULATING THE PROPAGATION OF AN ELECTROMAGNETIC FIELD
IN A TEM CELL USING TLM-3D SYSTEM
Tăng Tấn Chiến
Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Trong bài báo này, chúng tôi giới thiệu một tế bào điện từ ngang (TEM: Transverse
Electromagnetic) dùng để đo các vấn đề về tương thích điện từ (EMC: Electromagnetic
Compatibility). Ma trận đường truyền (TLM: Transmission Line Matrix) cung cấp phương pháp
hiệu quả để giải quyết các vấn đề trong mạng này. Việc khai thác phương pháp TLM rất quan
trọng về phương diện tổng quát cũng như lý thuyết đường truyền. Trên cơ sở nghiên cứu các
kiểu nút 3D, thuật toán của phương pháp TLM được sử dụng để tính toán toán lưới nhằm xác
định số nút và các dữ liệu lưới khác của một tế bào TEM. Mô hình bằng số này sẽ cho các đáp
ứng cả trong miền tần số lẫn thời gian; ảnh hưởng của sự biến dạng của xung tới, việc mô
phỏng sự truyền sóng trong miền thời gian và trong miền tần số sẽ được đề cập. Sự truyền của
trường điện từ trong tế bào được thực hiện bằng mô phỏng..
ABSTRACT
This paper presents a special TEM (Transverse Electromagnetic) cell for EMC
(Electromagnetic Compatibility) measurements. TLM (Transmission Line Matrix) provides a
systematic and efficient procedure for solving network problems. It is therefore important to
summarize the aspects of transmission line theory that are essential in understanding the
implementation of TLM. In the study of 3D node types, the algorithm of TLM method is used in
net calculation to determine the number of nodes and other net parameters of the TEM cell.
The numerical model provides responses both in frequency and time domain. The influence of
variations in the shape of the incident pulse, numerical simulation of wave propagation in the
frequency and time domain are also mentioned in this paper. The propagation of an
electromagnetic field in the TEM cell is simulated.
1. Đặt vấn đề
Trên cơ sở lý thuyết đường truyền và lý thuyết về phương pháp TLM như đã
trình bày ở một bài báo trước [5], hệ thống mô hình của một tế bào được xây dựng để
tính toán mô phỏng sự truyền của trường điện từ trong tế bào sao cho sóng phẳng truyền
trong nó là sóng TEM (sóng điện từ ngang) [6], với mục đích sử dụng tế bào này làm
một thiết bị thử nghiệm gọi là tế bào TEM [1].
Hệ thống mô phỏng TLM-3D của Labo. LEMO - Đại học Bách khoa Quốc gia
Grenoble (INPG) - Cộng hoà Pháp được sử dụng để tổ chức mô phỏng [2].
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009
2
2. Chuẩn bị dữ liệu
2.1. Thiết lập mô hình hình học của tế bào
Tế bào được mô hình hoá như
một thiết bị xác định trong không
gian ba chiều với các kích thước:
Xmax = 330 mm; Ymax = 150 mm;
Zmax = 90 mm. Trong đó, chiều dài
của tế bào là 300 mm (không kể hai
bộ nối gắn liền ở hai đầu của tế bào).
Các mặt phẳng và xiên chung quanh
tế bào đều cấu tạo bằng kim loại
cùng hệ số phản xạ bằng -1, các mặt
xiên được cấu tạo theo kiểu bậc
thang, bản kim loại trung tâm cũng được bố trí thành mặt phẳng ngang đặt ngay chính
giữa tế bào làm cùng kim loại với
các mặt chung quanh. Vùng điện
môi bên trong tế bào là không
khí với r = 1, r = 1, = 0. Hai
đầu mút của hai bộ nối là vách
hấp thu đối với các sóng phẳng
cùng hệ số phản xạ bằng 0 [2].
Bộ nối liên thông của tế
bào được nối với một cáp đồng
Hình 1. Sơ đồ tổ chức mô phỏng TLM-3D
Hình 2. Mô hình của tế bào
dc y
ac
bc
wc
r
z
0
Hình 3. Cáp truyền đồng trục chữ nhật
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009
3
trục chữ nhật cùng trở kháng chuẩn Zcáp = 50 , truyền các kiểu sóng TEM, kích thước
của cáp như hình 3.
Bề rộng wc của cáp được tính theo công thức: [3]
Với: mm, mm , dc bc , r =1 , Zcap= 50 .
Tính được: mm.
Việc tính chiều dài của cáp nối ở phía trước tế
bào được dựa trên cơ sở loại tín hiệu kích thích được
chọn. Chiều dài của cáp từ nguồn kích thích tín hiệu
đến tế bào được chọn lớn hơn hoặc bằng quãng đường
truyền cuả tín hiệu tới và phản xạ.
Sau khi thiết lập xong mô hình tế bào nối với
cáp đồng trục, để chuẩn bị tiếp dữ liệu cho việc mô phỏng, các bước được tiến hành
theo trình tự sau:
Kích thích: Xác định vị trí đặt nguồn phát tín hiệu gốc.
Vùng kích thích được xác định bởi Xmin, Xmax; Ymin, Ymax; Zmin, Zmax với
Xmin=Xmax, Ymin=Ymax và các giá trị của các thành phần kích thích Ex, Ey,
Ez, Hx, Hy, Hz. Để đơn giản, chọn thành phần Ez.
Trường ngõ ra: Các thành phần khác nhau của trường được tính toán trong
những mặt phẳng hoặc một phần của mặt phẳng trong tế bào. Các mặt phẳng
được xác định bởi Xmin, Xmax; Ymin, Ymax; Zmin, Zmax với Xmin=Xmax
hoặc Ymin=Ymax hoặc Zmin=Zmax và xác định thành phần nào của trường
trong các thành phần Ex, Ey, Ez, Hx, Hy, Hz hoặc tất cả các thành phần trên, ví dụ
chọn hai thành phần Ex và Ez.
Các thành phần của trường có được, hoặc là trong miền thời gian, hoặc là trong
miền tần số (dùng biến đổi Fourier). Có thể xác định kiểu mô phỏng đối với các
thành phần của trường là thời gian, tần số hoặc hỗn hợp cả hai, trong phạm vi
nghiên cứu của đề tài này, kiểu hỗn hợp được chọn.
Đường bao điện áp: Để tính tích phân của điện trường trong khi mô phỏng,
đường bao điện áp được xác định bằng cách xác định các toạ độ min, max trên 3
trục. Các toạ độ này được xác định là một trục (chỉ với XminXmax hoặc chỉ
với YminYmax hoặc chỉ với ZminZmax).
Đường bao dòng điện: Để tính tích phân của từ trường trong khi mô phỏng,
đường bao dòng điện được xác định bằng cách xác định các toạ độ min, max
trên 3 trục. Các toạ độ này được xác định là một mặt phẳng.
Hình 4. Tế bào nối với cáp truyền
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009
4
Với dải tần số làm việc của tế bào nghiên cứu là: 0 – 1GHz, chọn Fmin = 0,
khoảng cách bước tần số DFRQ = 0.005, số điểm N.FRQ = 201.
2.2. Thực hiện lưới
Lưới trong tế bào được đan một cách tự động bởi sự gián đoạn hoá theo bước
biến đổi trên ba trục, bước này phụ thuộc vào các yếu tố cấu tạo nên tế bào: điện môi,
kim loại và tần số.
Thực hiện việc đan lưới tự động, sau đó nhập tần số tối đa, khoảng cách tối thiểu
của lưới Dlmin, khoảng cách tối đa của lưới Dlmax. Sau khi nhập dữ liệu, việc tính toán
lưới được tiến hành để xác định số nút theo ba chiều là Nx; Ny; Nz và dung lượng nhớ
cần thiết để mô phỏng.
Kiểm tra lưới, trên cơ sở đó hiệu chỉnh lại các thông số trong file FMAIL **.
cho phù hợp với vị trí của lưới. Chức năng “Số lần lặp - Dung lượng nhớ” sẽ hiển thị
các thông số mô phỏng của lưới.
2.3. Tạo nguồn phát tín hiệu
Tín hiệu kích thích là một
hàm theo thời gian với bước gián
đoạn t. Tín hiệu này được truyền
trên đường truyền để khảo sát đáp
ứng của mạch đối với kích thích.
Chọn một trong các kiểu tín
hiệu kích thích sau: Xung Dirac,
hàm bậc dương, hàm bậc âm, xung
Gauss, tín hiệu hình sin, xung
vuông.
Việc lựa chọn kiểu kích
thích phụ thuộc vào nhiều thông số:
Kiểu cấu trúc nghiên cứu, dải tần số
làm việc...
Để các đường truyền kiểu cận-TEM có thể truyền các sóng có tần số Fmin = 0,
chọn kiểu kích thích có phổ tần rộng, một tín hiệu thay
đổi theo thời gian dạng xung Gauss là thích hợp nhất cho việc phân tích này [2].
2.4. Tạo các file chấp hành
Lưu file lưới: Lưu file lưới với tên Fmail**.tlm. Kiểm tra lưới, hiệu chỉnh ngay
những bất hợp lý của dữ liệu lưới trong file Fmail**.tlm
Các thông số mô phỏng: Chuẩn bị để thực hiện mô phỏng TLM.
+ Các thông số về dữ liệu và dung lượng nhớ.
+ Chương trình nạp tự động các file.
Hình 5.
T
ín hiệu kích thích
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009
5
Chương trình nạp các file cũng được tạo bởi DIS-3D gọi là TLM.BAT, chương
trình này thực hiện 3 bước:
Copie Param**.tlm trong Param.tlm
Biên dịch các chương trình : TLM3D.FOR, TLMMAIL.FOR và TLMSUB.FOR
Chạy chương trình.
3. Mô phỏng và các File đạt được (TLM-3D)
3.1. Chạy chương trình
Chạy chương trình TLM.BAT để thực hiện mô phỏng, chương trình sẽ biên
dịch, thi hành, nạp các File FMAIL**.TLM và FGENE**.TLM
3.2. Các File kết quả
Các thành phần của trường.
Các File của trường theo thời gian:
Ex****.tmp, Hx****.tmp
Ey****.tmp, Hy****.tmp
Ez****.tmp, Hz****.tmp
Các File của trường theo tần số:
Ex****.frq, Hx****.frq
Ey****.frq, Hy****.frq
Ez****.frq, Hz****.frq
Các thành phần điện áp và dòng điện.
Các File của điện áp và dòng điện theo thời gian:
Vx****.tmp, Jx****.tmp
Vy****.tmp, Jy****.tmp
Vz****.tmp, Jz****.tmp
Các File của điện áp và dòng điện theo tần số:
Hình 6. Tế bào TEM với các dữ liệu lưới