Электростатика · Плоскопараллельная
Микрополосковая линия: два скалярных поля и квази-ТЕМ оценка
Вычислите ёмкость полоскового проводника над диэлектрической подложкой и повторите тот же расчёт с воздухом. Из двух скалярных решений получите эффективную проницаемость и квази-ТЕМ оценку волнового сопротивления.
Самостоятельная учебная модель FEMM 5: от физических соотношений к полевому решению и проверке результата.
Допущения и устройство учебной модели
| Учебная модель FEMM 5 | Причина |
|---|---|
| Две геометрически одинаковые серии: εr=1 и εr=4 | Воздушный эталон нужен для определения L′ и эффективной проницаемости. |
| Нулевой толщины электрод расположен прямо на интерфейсе | Сгущается поле у обеих кромок полоски. |
| Конечная удалённая оболочка включена в определение модели | Геометрический ответ не выдаётся за точное открытое пространство. |
Все размеры, свойства материалов и условия возбуждения заданы ниже. Численные результаты относятся к опубликованной версии модели FEMM 5.
Физическая и математическая постановка
Зачем нужен воздушный эталон
Пусть C′ — ёмкость на единицу длины с подложкой, C₀′ — ёмкость той же геометрии с εr=1. Для немагнитной среды квазистатическое приближение даёт εeff=C′/C₀′ и L′=1/(c²C₀′). Отсюда находятся скорость и сопротивление линии.
Граница применимости квази-ТЕМ результата
Проводник нулевой толщины расположен на границе подложки εr=4 и воздуха. Земля задана внизу, удалённая оболочка — по бокам и сверху. На каждом из трёх уровней сетки выполняются оба поля, всего шесть решений.
Контролируются энергия и заряд, сеточная устойчивость C и Z₀, физические границы 1≤εeff≤4 и приближённая инженерная формула открытой микрополосковой линии. Допуск инженерного ориентира 8% относится к этому сравнению и не является универсальной точностью FEMM.
FEMM здесь не решает распространение электромагнитной волны. Полученное Z₀ — результат квазистатической постобработки в условиях, когда поперечные размеры малы относительно длины волны; дисперсия, излучение и потери отсутствуют.
Исходные данные
Плоскопараллельная
| Параметр | Значение | Единица | Происхождение |
|---|---|---|---|
| Ширина полоски | 4 | мм | Условие учебной задачи |
| Толщина подложки | 2 | мм | Условие учебной задачи |
| Проницаемость подложки | 4 | 1 | Условие учебной задачи |
| Длина участка | 1 | м | Условие учебной задачи |
| Ширина и высота области | 40; 20 | мм | Условие учебной задачи |
| Напряжение полоски | 1 | В | Условие учебной задачи |
Порядок воспроизведения
- Изучите размеры, материалы, возбуждение и выбранную двумерную постановку. Сначала вычислите аналитический ориентир в единицах СИ.
- Скачайте файлы по отдельным ссылкам в отдельную рабочую папку. Откройте reproduce.py во встроенном редакторе Python FEMM 5 и выполните сохранённый файл.
- Программа строит русифицированные модели, сохраняет их, закрывает и открывает заново. Затем выполняет расчёт и читает свойства проводников по точному русскому имени.
- Сравните три уровня пространственной сетки. В таблицах сохранены число узлов и элементов, интегральные величины и независимые критерии. Дополнительные режимы указаны в постановке.
- Откройте самый подробный сохранённый вход и соответствующее решение. Проверьте смысл единиц, знаков и объёмного множителя; новый запуск сохранит результаты в новой папке calculated-NN.
Скачайте нужные файлы по отдельным ссылкам ниже в одну рабочую папку, затем откройте reproduce.py во встроенном Python FEMM 5 и выполните его. Сохраните имена файлов и структуру подпапок. Условия конкретного запуска и путь новых результатов указаны в комментариях программы.
Программа встроенного Python FEMM 5
"""Микрополосковая линия: ёмкость и квази-ТЕМ сопротивление.
Среда: встроенный MicroPython FEMM 5; команды FEMM доступны глобально.
Геометрические размеры: миллиметры; поля и интегралы возвращаются в СИ.
Все материалы и проводники имеют русские имена. Каждая модель сохраняется,
закрывается и повторно открывается до нового расчёта, включая кириллицу.
Запуск создаёт новую папку calculated-NN рядом с программой; опубликованные
модели и предыдущие расчёты не перезаписываются. Все необходимые
исходные данные включены. Условия задачи и ограничения описаны в README.md.
"""
import os
import sys
import math
import json
saved = globals().get('__file__', '') or (sys.argv[0] if sys.argv else '')
base = os.path.dirname(os.path.abspath(saved)) if saved else os.getcwd()
index = 1
while os.path.exists(base + '/calculated-%02d' % index):
index += 1
directory = base + '/calculated-%02d' % index
os.mkdir(directory)
records = []
checks = []
EPS0 = 8.85418781762e-12
def real(value):
if isinstance(value, (list, tuple)):
return real(value[0])
return complex(value).real
def check(name, value, limit):
checks.append({'name': name, 'value': value, 'limit': limit,
'passed': math.isfinite(value) and value <= limit})
def label(x, y, material, mesh, group=1):
ei_addblocklabel(x, y)
ei_selectlabel(x, y)
ei_setblockprop(material, 0, mesh, group)
ei_clearselected()
def circle(x, radius, conductor, angle):
ei_addnode(x - radius, 0)
ei_addnode(x + radius, 0)
ei_addarc(x - radius, 0, x + radius, 0, 180, angle)
ei_addarc(x + radius, 0, x - radius, 0, 180, angle)
ei_selectarcsegment(x, radius)
ei_selectarcsegment(x, -radius)
ei_setarcsegmentprop(angle, '<None>', 0, 0, conductor)
ei_clearselected()
def solve(model):
ei_saveas(model)
ei_close()
opendocument(model)
ei_analyze(1)
ei_loadsolution()
eo_smooth('off')
def electric_result(mesh, model, input_name, output_name, exact_C):
voltage_in, charge_in = eo_getconductorproperties(input_name)
voltage_out, charge_out = eo_getconductorproperties(output_name)
voltage = real(voltage_in) - real(voltage_out)
charge = real(charge_in)
eo_groupselectblock(1)
energy = real(eo_blockintegral(0))
eo_clearblock()
capacitance = charge / voltage
energy_C = 2 * energy / voltage ** 2
row = {'mesh_mm': mesh, 'model': os.path.basename(model),
'nodes': eo_numnodes(), 'elements': eo_numelements(),
'voltage_V': voltage, 'charge_C': charge, 'energy_J': energy,
'capacitance_F': capacitance, 'energy_capacitance_F': energy_C,
'analytic_capacitance_F': exact_C,
'analytic_C_relative_error': abs(capacitance / exact_C - 1),
'energy_charge_relative_error': abs(energy_C / capacitance - 1)}
records.append(row)
check('Энергия и заряд: ' + os.path.basename(model),
row['energy_charge_relative_error'], 1e-5)
return row
def circle_xy(cx, cy, radius, conductor, angle):
ei_addnode(cx - radius, cy)
ei_addnode(cx + radius, cy)
ei_addarc(cx - radius, cy, cx + radius, cy, 180, angle)
ei_addarc(cx + radius, cy, cx - radius, cy, 180, angle)
ei_selectarcsegment(cx, cy + radius)
ei_selectarcsegment(cx, cy - radius)
ei_setarcsegmentprop(angle, '<None>', 0, 0, conductor)
ei_clearselected()
def polygon(points, conductor='<None>', mesh=0):
for x, y in points:
ei_addnode(x, y)
for k, (x, y) in enumerate(points):
x2, y2 = points[(k + 1) % len(points)]
ei_addsegment(x, y, x2, y2)
if conductor != '<None>':
ei_selectsegment((x + x2) / 2, (y + y2) / 2)
ei_setsegmentprop('<None>', mesh, 0, 0, 0, conductor)
ei_clearselected()
def terminal(x, y, name, mesh):
ei_selectsegment(x, y)
ei_setsegmentprop('<None>', mesh, 0, 0, 0, name)
ei_clearselected()
def summary(mesh, model, source, ground, exact_C=None):
v1, q1 = eo_getconductorproperties(source)
v0, q0 = eo_getconductorproperties(ground)
v1, v0, q1, q0 = real(v1), real(v0), real(q1), real(q0)
voltage = v1 - v0
eo_groupselectblock(1)
energy = real(eo_blockintegral(0))
eo_clearblock()
capacitance = q1 / voltage
row = {'mesh_mm': mesh, 'model': os.path.basename(model),
'nodes': eo_numnodes(), 'elements': eo_numelements(),
'voltage_V': voltage, 'charge_C': q1, 'energy_J': energy,
'capacitance_F': capacitance,
'energy_capacitance_F': 2 * energy / voltage ** 2}
if exact_C is not None:
row['analytic_capacitance_F'] = exact_C
row['analytic_C_relative_error'] = abs(capacitance / exact_C - 1)
records.append(row)
check('Энергия и терминальный заряд: ' + os.path.basename(model),
abs(2 * energy / voltage ** 2 / capacitance - 1), 1e-5)
return row
def field(x, y):
values = eo_getpointvalues(x, y)
return math.sqrt(real(values[3]) ** 2 + real(values[4]) ** 2)
def rectangle_field(mesh, filename, epsx=2, epsy=2, voltage=100, width=10, height=10, depth=100):
newdocument(1)
ei_probdef('millimeters', 'planar', 1e-10, depth, 30)
ei_addmaterial('Диэлектрик учебного образца', epsx, epsy, 0)
ei_addconductorprop('Питающий электрод', voltage, 0, 1)
ei_addconductorprop('Заземлённый электрод', 0, 0, 1)
polygon(((0, 0), (width, 0), (width, height), (0, height)))
terminal(0, height / 2, 'Питающий электрод', mesh)
terminal(width, height / 2, 'Заземлённый электрод', mesh)
label(width / 2, height / 2, 'Диэлектрик учебного образца', mesh)
model = directory + '/' + filename + '.fee'
solve(model)
return model
C0 = []
for level, mesh in enumerate((0.8, 0.4, 0.2)):
for eps in (1, 4):
newdocument(1)
ei_probdef('millimeters', 'planar', 1e-10, 1000, 30)
ei_addmaterial('Подложка линии', eps, eps, 0)
ei_addmaterial('Воздух над линией', 1, 1, 0)
ei_addconductorprop('Полосковый проводник', 1, 0, 1)
ei_addconductorprop('Земля и удалённый экран', 0, 0, 1)
polygon(((-20, 0), (20, 0), (20, 2), (20, 20), (-20, 20), (-20, 2)), 'Земля и удалённый экран', mesh)
for x in (-2, 2):
ei_addnode(x, 2)
ei_addsegment(-20, 2, -2, 2)
ei_addsegment(-2, 2, 2, 2)
ei_addsegment(2, 2, 20, 2)
terminal(0, 2, 'Полосковый проводник', mesh / 6)
label(0, 1, 'Подложка линии', mesh / 2)
label(0, 5, 'Воздух над линией', mesh)
model = directory + '/microstrip-%02d-eps%d.fee' % (level + 1, eps)
solve(model)
row = summary(mesh, model, 'Полосковый проводник', 'Земля и удалённый экран')
row['substrate_epsr'] = eps
if eps == 1:
C0.append(row['capacitance_F'])
else:
effective = row['capacitance_F'] / C0[level]
impedance = 1 / (299792458 * math.sqrt(row['capacitance_F'] * C0[level]))
row['effective_epsr'] = effective
row['Z0_ohm'] = impedance
check('Границы эффективной проницаемости 1≤εeff≤4', max(0, 1 - effective, effective - 4), 0)
eo_close()
ei_close()
check('Сходимость ёмкости микрополосковой линии', abs(records[5]['capacitance_F'] / records[3]['capacitance_F'] - 1), 0.01)
check('Сходимость квази-ТЕМ сопротивления', abs(records[5]['Z0_ohm'] / records[3]['Z0_ohm'] - 1), 0.01)
approx_eps = 2.5 + 1.5 / math.sqrt(1 + 12 / 2)
approx_Z = 120 * math.pi / (math.sqrt(approx_eps) * (2 + 1.393 + 0.667 * math.log(2 + 1.444)))
check('Инженерная формула Z0: ориентир для открытой микрополосковой линии', abs(records[5]['Z0_ohm'] / approx_Z - 1), 0.08)
columns = {
'mesh_mm': 'Размер сетки, мм', 'model': 'Файл модели',
'nodes': 'Узлов', 'elements': 'Элементов',
'voltage_V': 'Разность потенциалов, В', 'charge_C': 'Заряд, Кл',
'energy_J': 'Энергия, Дж', 'capacitance_F': 'Ёмкость по заряду, Ф',
'energy_capacitance_F': 'Ёмкость по энергии, Ф',
'analytic_capacitance_F': 'Аналитическая ёмкость, Ф',
'analytic_C_relative_error': 'Относительная ошибка ёмкости',
'energy_charge_relative_error': 'Невязка энергии и заряда',
'E_7p5mm_V_m': 'Поле при r=7,5 мм, В/м',
'analytic_E_7p5mm_V_m': 'Аналитическое поле при r=7,5 мм, В/м',
'E_150mm_V_m': 'Поле при r=150 мм, В/м',
'analytic_E_150mm_V_m': 'Аналитическое поле при r=150 мм, В/м',
'outer_radius_mm': 'Радиус внешней границы, мм',
'insulation': 'Изоляция', 'analytic_Emax_kV_mm': 'Аналитический максимум поля, кВ/мм',
'Emax_from_charge_kV_mm': 'Максимум поля по заряду, кВ/мм',
'E_10mm_kV_mm': 'Поле при r=10 мм, кВ/мм',
'E_25mm_kV_mm': 'Поле при r=25 мм, кВ/мм',
'conductivity_S_m': 'Эквивалентная проводимость, См/м',
'I_real_A': 'Активная компонента амплитуды тока, А',
'I_imag_A': 'Квадратурная компонента амплитуды тока, А',
'analytic_I_real_A': 'Аналитическая активная компонента, А',
'analytic_I_imag_A': 'Аналитическая квадратурная компонента, А',
'losses_W': 'Диэлектрические потери, Вт',
'analytic_losses_W': 'Аналитические потери, Вт',
'terminal_power_W': 'Средняя мощность электрода, Вт',
'apparent_power_VA': 'Полная мощность, ВА',
'U_RMS_V': 'Действующее напряжение, В', 'U_amplitude_V': 'Амплитуда напряжения, В'
}
columns.update({'E_tip_sample_V_m': 'Поле около закруглённого конца, В/м', 'local_mesh_mm': 'Сетка около иглы, мм', 'substrate_epsr': 'Проницаемость подложки', 'effective_epsr': 'Эффективная проницаемость', 'Z0_ohm': 'Квази-ТЕМ сопротивление, Ом', 'liquid_height_mm': 'Уровень жидкости, мм', 'offset_mm': 'Эксцентриситет, мм'})
result = {'runtime': 'FEMM 5.0; встроенный MicroPython', 'records': records,
'checks': checks, 'columns': columns,
'passed': all(item['passed'] for item in checks)}
with open(directory + '/result.json', 'w') as output:
json.dump(result, output)
print(json.dumps(result))
assert result['passed'], 'Не выполнен численный критерий'
Картина рассчитанного поля
Окна FEMM 5
Снимки интерфейса FEMM показывают геометрию, настройки и работу с результатами в FEMM 5. Откройте изображение, чтобы рассмотреть подписи и значения в полном размере.
Результаты и численные проверки
Сохранено решений FEMM: 6. Выполнено проверок: 12. Полная точность чисел и условия сравнения доступны в таблицах результатов JSON.
| Разность потенциалов, В | Размер сетки, мм | Ёмкость по заряду, Ф | Энергия, Дж | Узлов | Заряд, Кл | Элементов | Проницаемость подложки | Файл модели | Ёмкость по энергии, Ф | Квази-ТЕМ сопротивление, Ом | Эффективная проницаемость |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0,8 | 38,39 × 10⁻¹² | 19,19 × 10⁻¹² | 4375 | 38,39 × 10⁻¹² | 8465 | 1 | microstrip-01-eps1.fee | 38,39 × 10⁻¹² | — | — |
| 1 | 0,8 | 117 × 10⁻¹² | 58,51 × 10⁻¹² | 4375 | 117 × 10⁻¹² | 8465 | 4 | microstrip-01-eps4.fee | 117 × 10⁻¹² | 49,77 | 3,048 |
| 1 | 0,4 | 38,21 × 10⁻¹² | 19,1 × 10⁻¹² | 8669 | 38,21 × 10⁻¹² | 16846 | 1 | microstrip-02-eps1.fee | 38,21 × 10⁻¹² | — | — |
| 1 | 0,4 | 116,3 × 10⁻¹² | 58,14 × 10⁻¹² | 8669 | 116,3 × 10⁻¹² | 16846 | 4 | microstrip-02-eps4.fee | 116,3 × 10⁻¹² | 50,04 | 3,043 |
| 1 | 0,2 | 38,04 × 10⁻¹² | 19,02 × 10⁻¹² | 32361 | 38,04 × 10⁻¹² | 63768 | 1 | microstrip-03-eps1.fee | 38,04 × 10⁻¹² | — | — |
| 1 | 0,2 | 115,8 × 10⁻¹² | 57,89 × 10⁻¹² | 32361 | 115,8 × 10⁻¹² | 63768 | 4 | microstrip-03-eps4.fee | 115,8 × 10⁻¹² | 50,26 | 3,044 |
| Критерий | Получено | Допуск или ожидаемое значение | Итог |
|---|---|---|---|
| Энергия и терминальный заряд: microstrip-01-eps1.fee | 52,14 × 10⁻¹² | 1e-05 | Выполнен |
| Энергия и терминальный заряд: microstrip-01-eps4.fee | 69,64 × 10⁻¹² | 1e-05 | Выполнен |
| Границы эффективной проницаемости 1≤εeff≤4 | 0 | 0 | Выполнен |
| Энергия и терминальный заряд: microstrip-02-eps1.fee | 500,8 × 10⁻¹² | 1e-05 | Выполнен |
| Энергия и терминальный заряд: microstrip-02-eps4.fee | 824,9 × 10⁻¹² | 1e-05 | Выполнен |
| Границы эффективной проницаемости 1≤εeff≤4 | 0 | 0 | Выполнен |
| Энергия и терминальный заряд: microstrip-03-eps1.fee | 52,36 × 10⁻¹² | 1e-05 | Выполнен |
| Энергия и терминальный заряд: microstrip-03-eps4.fee | 95,31 × 10⁻¹² | 1e-05 | Выполнен |
| Границы эффективной проницаемости 1≤εeff≤4 | 0 | 0 | Выполнен |
| Сходимость ёмкости микрополосковой линии | 0,004342 | 0,01 | Выполнен |
| Сходимость квази-ТЕМ сопротивления | 0,004399 | 0,01 | Выполнен |
| Инженерная формула Z0: ориентир для открытой микрополосковой линии | 0,01521 | 0,08 | Выполнен |
Допуски относятся к указанной учебной задаче и способу сравнения. Число показанных цифр не означает такой же физической точности.
Модели, решения и программа
Для нового расчёта сохраните программу, модели и необходимые данные в одну рабочую папку, сохраняя структуру подпапок.
- Файл результатов: README.md910 байт
- Электростатическая модель: microstrip-01-eps1.fee1401 байт
- Электростатическое решение: microstrip-01-eps1.res402217 байт
- Электростатическая модель: microstrip-01-eps4.fee1401 байт
- Электростатическое решение: microstrip-01-eps4.res402824 байт
- Электростатическая модель: microstrip-02-eps1.fee1402 байт
- Электростатическое решение: microstrip-02-eps1.res810491 байт
- Электростатическая модель: microstrip-02-eps4.fee1402 байт
- Электростатическое решение: microstrip-02-eps4.res812265 байт
- Электростатическая модель: microstrip-03-eps1.fee1402 байт
- Электростатическое решение: microstrip-03-eps1.res3251153 байт
- Электростатическая модель: microstrip-03-eps4.fee1402 байт
- Электростатическое решение: microstrip-03-eps4.res3257524 байт
- Программа встроенного Python: reproduce.py11797 байт
Границы применимости
- Квази-ТЕМ оценка применима к электрически малому поперечному сечению.
- Толщина и конечная проводимость металла, скин-эффект, дисперсия и излучение не учитываются.
- Решение относится к указанной конечной внешней оболочке.