Микрополосковая линия: два скалярных поля и квази-ТЕМ оценка

"""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'