PROJEKT-ELŐREHALADÁS 2. 2012. 12.02. 2013. 05. 31. 1. Modellkészítés. A használt számítógépes program a Computer Simulation Technology (CST) programcsalád Microwave Studio nevű eszköze. Ebben az alap geometriai formák segítségével elkészíthető a modell, majd a szimulátor megfelelő beállításával elvégezhető az elektromágneses szimuláció. A számítógépes szimulációt a BMGE OMT laborjának munkatársai és egy hallgatója végezte el. A modell valóságnak megfelelő viselkedése a valóság pontos modellezésével érhető el, amihez ismerni kell az eszköz pontos geometriai méreteit és az anyagparamétereket. Ezek a fejlesztés alapjául szolgáló cirkulátor gyártási dokumentációjában voltak megtalálhatóak. Két elkülöníthető részre lehetett felbontani a modellt, az egyik a középső rész a két ferrit tárcsával, a ferritek között található, egymástól teflon tárcsákkal elszigetelt U alakú réz vezetőkkel. A másik alkotórész az illesztő hálózat volt. A modellezés első lépése a környezet beállítása volt (mértékegységrendszer, a szimulálandó frekvencia tartomány, a háttér anyaga, ami jelen esetben vákuum, továbbá a modellezendő tértartomány határfeltételei). 1. ábra: A fésűs rezonátor 3D modellje Az alakzatok elkészítése során felhasználásra került a szimulátorban található réz anyagmodell, a teflon relatív permittivitása, a ferrit girotropikus tulajdonságait meghatározó anyagparaméterek (Lande-faktor, telitési mágnesezettség: H: relativ permittivitás: tan : ), továbbá a külső gerjesztő mágneses tér erőssége. A 450 MHz és 160 MHz középfrekvenciájú cirkulátorok két különböző összetételű GdYCaVIn-doppolt gránátanyaggal készültek. Főbb jellemzői az alábbiak voltak:
Kódnév: Y-85 és Y-86 Telítési mágnesezettség: 720 Gauss és 850 Gauss Relatív permittivitás: 14.8 és 14.9 Tangens delta: 0.002 mindkét anyag esetében Delta H: 40 Oe mindkét anyag esetében 2. Szimuláció A szimulációs programban kétfajta megoldó eszköz - a Transient Solver és a Frequency domain solver - ajánlott a ferrites eszközök vizsgálatához. Mindkét szimulációs módszer a FIT (Finite Impulse Response) algoritmust használja, ennek az alapja a Maxwell-egyenletek integrális alakjainak a megoldása. A szimulációs eredmény annál jobban közelíti a valóságot, minél nagyobb számú elemi térrészre bontjuk fel a modellt. Ebben az esetben a szimuláció a frekvenciatartománybeli módszerrel történt. 2. ábra: A teljes rezonátor 3D modellje. Mindezek alapján a következő eredményt kaptuk: 3. ábra: szimulációs eredmény 0 Hz-től 500 MHz-ig, Y-86-os ferrittel
3. Illesztőhálózat A cirkulátor illesztő hálózatának elkészítése áramkör szimulátor programmal történt. Így gyorsítani lehetett a szimulációt, mivel az áramkör szimulációs program nem szimulálja le az elemek elektromágneses viselkedését, hanem minden alkatrésznek beépítve megvan a SPICE szimulációs modellje. A SPICE szimuláció csomóponti potenciálok adott frekvencián történő megoldásával működik. A középrészt az elektromágneses szimulátorral kapott S-paraméterek jellemzik, ezt importálni és SPICE modellé lehet alakítani az áramkör szimulátor programba 3 portos alkatrészként. Áramkör szimulátornak az AWR Microwave Studio programot használtuk. Egy illesztő hálózat az alábbi áramkörrel volt modellezhető: 4. ábra: Az illesztő hálózat áramköri modellje Az áramkör jobb felső oldalához csatlakozik a cirkulátor modellje. A cirkulátor minden kimenetéhez tartozik egy ilyen illesztőhálózat. Ez egy sáváteresztő szűrő, ami biztosítja a megfelelő impedancia illesztést az 50 Ohmos csatlakozók és a cirkulátor középrésze között a megfelelő frekvenciatartományban. A működési frekvenciát a külső mágneses tér erőssége és az illesztőhálózat elemeinek az értékei együttesen határozzák meg. 4. A cirkulátor szimulációja. Az illesztőhálózat elemeinek az értékét az MWO beépített optimalizáló eszközével kaptuk meg. Beállítható, hogy az S-paraméterek a különböző frekvenciatartományokban milyen értékűek legyenek, és az optimalizáló addig változtatja az elemértékeket, míg az S-paraméterek a megadott határokon belül nem lesznek.
5. ábra: A 430 MHz középfrekvenciájú cirkulátor optimális illesztéssel 160 MHz-es cirkulátor esetén, a középrész szimulációját CST-ben az Y-85-ös ferrittel, és kisebb külső mágneses térrel végeztük 6. ábra: A 160 MHz középfrekvenciájú cirkulátor optimális illesztéssel
Ezek alapján elmondható, hogy a CST-vel szimulált középrész a valóságnak megfelelően működik, az S-paramétereket importálva a MWO-ba a valóságnak megfelelő cirkulátor modellt állítottunk össze. A kapott jelalakok a valóságossal megegyeznek. A következő lépés az illesztőhálózat áttervezése könnyen gyártható konstrukcióvá, így várhatóan a bonyolult hangolási folyamat kiiktatható lesz a gyártásból. A bemutatott munka a TKI-Ferrit Fejlesztő és Gyártó Kft megbízásából, a BMGE OMT laborban Fehér Gábor PhD hallgató témavezetésével, Horváth Róbert MSc villamosmérnök hallgató közreműködésével készült jelentés rövidített változata.