PythonでFDTD法で電磁界シミュレーションできるopenEMSを使う(3)TE01モードの矩形導波管を計算してSパラメータ表示と電界分布を動画にする。

マイクロストリップラインノッチフィルタ、マイクロストリップラインパッチアンテナと来て今度は矩形導波管。

https://docs.openems.de/python/openEMS/Tutorials/Rect_Waveguide.html

https://wiki.openems.de/index.php/Tutorial:_Rectangular_Waveguide.html

まずはモジュールをインポート。

import os

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

from CSXCAD  import ContinuousStructure

from openEMS import openEMS

from openEMS.physical_constants import C0

次に寸法や周波数を設定。

Sim_Path = os.path.join("C:\\Users\\tomoh\\Documents\\Python Projects\\OpenEMS", 'Rect_WG')

post_proc_only = False

unit = 1e-6 #drawing unit in um

# waveguide dimensions

# WR42

a = 10700   #waveguide width

b = 4300    #waveguide height

length = 50000

# frequency range of interest

f_start = 20e9

f_0     = 24e9

f_stop  = 26e9

lambda0 = C0/f_0/unit

#waveguide TE-mode definition

TE_mode = 'TE10'

#targeted mesh resolution

mesh_res = lambda0/30

そして励振と境界条件を設定。0がPECで導波管の壁になる。3はPMLで終端に相当。

   0 = PEC      or  'PEC'

   1 = PMC      or  'PMC'

   2 = MUR-ABC  or  'MUR'

   3 = PML-ABC  or  'PML_x' with pml size x => 4..50

FDTD = openEMS(NrTS=1e4)

FDTD.SetGaussExcite(0.5*(f_start+f_stop),0.5*(f_stop-f_start))

# boundary conditions

FDTD.SetBoundaryCond([0, 0, 0, 0, 3, 3])

モデルを作る。導波管は直方体書くだけなので簡単。

CSX = ContinuousStructure()

FDTD.SetCSX(CSX)

mesh = CSX.GetGrid()

mesh.SetDeltaUnit(unit)

mesh.AddLine('x', [0, a])

mesh.AddLine('y', [0, b])

mesh.AddLine('z', [0, length])

次はポート設定。矩形導波管専用のポートがある。

ports = []

start=[0, 0, 10*mesh_res]

stop =[a, b, 15*mesh_res]

mesh.AddLine('z', [start[2], stop[2]])

ports.append(FDTD.AddRectWaveGuidePort( 0, start, stop, 'z', a*unit, b*unit, TE_mode, 1))

start=[0, 0, length-10*mesh_res]

stop =[a, b, length-15*mesh_res]

mesh.AddLine('z', [start[2], stop[2]])

ports.append(FDTD.AddRectWaveGuidePort( 1, start, stop, 'z', a*unit, b*unit, TE_mode))

mesh.SmoothMeshLines('all', mesh_res, ratio=1.4)

ここで電界分布をみるための設定をしておく。設定はこう。

• DumpType:
  
  • 0: for E-field time-domain dump (default)
  • 1: for H-field time-domain dump
  • 2: for electric current time-domain dump
  • 3: for total current density (rot(H)) time-domain dump
  • 10: for E-field frequency-domain dump
  • 11: for H-field frequency-domain dump
  • 12: for electric current frequency-domain dump
  • 13: for total current density (rot(H)) frequency-domain dump
  • 20: local SAR frequency-domain dump
  • 21: 1g averaging SAR frequency-domain dump
  • 22: 10g averaging SAR frequency-domain dump
  • 29: raw data needed for SAR calculations (electric field FD, cell volume, conductivity and density)

Et = CSX.AddDump('Et', file_type=0, sub_sampling=[2,2,2])

start = [0, 0, 0]

stop  = [a, b, length]

Et.AddBox(start, stop)

そして計算。一応モデルも確認。色がついているのは励振部分。

if 1:  # debugging only

    CSX_file = os.path.join(Sim_Path, 'rect_wg.xml')

    if not os.path.exists(Sim_Path):

        os.mkdir(Sim_Path)

    CSX.Write2XML(CSX_file)

    from CSXCAD import AppCSXCAD_BIN

    os.system(AppCSXCAD_BIN + ' "{}"'.format(CSX_file))

if not post_proc_only:

    FDTD.Run(Sim_Path, cleanup=False)

Sパラメータの図示。

freq = np.linspace(f_start,f_stop,201)

for port in ports:

    port.CalcPort(Sim_Path, freq)

s11 = ports[0].uf_ref / ports[0].uf_inc

s21 = ports[1].uf_ref / ports[0].uf_inc

ZL  = ports[0].uf_tot / ports[0].if_tot

ZL_a = ports[0].ZL # analytic waveguide impedance

plt.figure()

plt.plot(freq*1e-6,20*np.log10(abs(s11)),'k-',linewidth=2, label='$S_{11}$')

plt.grid()

plt.plot(freq*1e-6,20*np.log10(abs(s21)),'r--',linewidth=2, label='$S_{21}$')

plt.legend()

plt.ylabel('S-Parameter (dB)')

plt.xlabel(r'frequency (MHz) $\rightarrow$')

なるほど計算できてそうだ。PECなんでロスなしなのがいまいちだが。

電界分布もParaViewで見る。面でスライスしないと見えなかった。