بخشی از مقاله
چکیده
امروزه شبیهسازی به عنوان یک مرحله جدایی ناپذیر از فرآیند طراحی محسوب میشود. بیشک بسیاری از عیوب موجود در فرآیند طراحی را میتوان بدون صرف هزینه زیاد و فقط با استفاده از نتایج شبیهسازی نرمافزاری رفع کرد. این امر سبب میشود تا هزینه کلی طراحی به شدت کاهش یابد و کیفیت طراحی بالا رود. در این مقاله مراحل شبیهسازی کانکتور سری 851 در نرم افزار HFSS به صورت گام به گام توضیح داده میشود. سپس نتایج به دست آمده، بررسی شده و پیشنهاداتی برای بهبود ضریب کارایی شیلد کانکتور ارایه میشود. ارائهی مراحل شبیهسازی و نتایج آن، این امکان را میدهد تا بتوان نتیجهی تغییرات ساختار فیزیکی و مکانیکی کانکتور برای افزایش کارایی شیلد آن را پیش از تغییر عملی طرح، پیشبینی کرد.
-1مقدمه
وجود سیستمهای الکترونیکی متعدد در طیف فرکانسی محدود و پر ازدحام و نیز حضور امواج و تشعشعات الکترومغناطیسی در بازههای متفاوت فرکانسی در محیط، بیانگر اهمیت مقاوم سازی سیستمها و جلوگیری از تأثیرپذیری آنها در برابر تداخلگرهای خارجی و داخلی میباشد. در سازگاری الکترومغناطیسی سیستمهای الکترونیکی درگاه ورودی و خروجی جریان یا دیتا از اهمیت بالایی برخوردار است.
از طرفی گستره وسیع استفاده ازکانکتورهای الکتریکی و اهمیت محافظت از این تجهیزات در برابر هجوم امواج الکترومغناطیس و نویزهای خواسته و ناخواسته به منظور جلوگیری از ایجاد اختلال در عملکرد تجهیزات، باعث میشود تا میزان کارآیی سپر حفاظتی - شیلدینگ - این سیستمها و کانکتورهای الکتریکی بررسی گردد.
حساسیت طراحی کانکتورهای الکتریکی در کاربردهای نظامی و غیرنظامی به عنوان قطعه اتصال دو کابل در مواردی که کابل به صورت یکپارچه نمی تواند مورد استفاده قرار گیرد، بسیار بالا بوده و بررسی پارامترهای سازگاری الکترومغناطیس آن و به خصوص محاسبه و اندازه گیری کارایی شیلد آن از اهمیت بالایی برخوردار می باشد. کانکتورها در محل اتصال یک کابل شیلد شده و بدنه شیلد سیستم قرار میگیرند. از اینرو در این مقاله سعی شده است که میزان کارآیی شیلد الکترومغناطیسی کانکتورهای سری 851 به روش شبیه سازی محاسبه گردد.
این کانکتورها بر اساس نوع کاربرد باید قادر باشند توان لازم را از خود عبور دهند و علاوه براین، باید با ملزومات سازگاری الکترومغناطیسی طبق استاندارد حوزه فعالیت خود تطابق کامل داشته باشند، تا سیستم اصلی دچار اختلال نشود. [1] ملزومات سازگاری الکترومغناطیس در کانکتورها همانند هر تجهیز یا سیستم دیگری شامل دو بخش اساسی گسیلش1 و مصونیت تابشی و نیز گسیلش و مصونیت هدایتی هستند.
از لحاظ تابشی کانکتور باید مانع خوبی در برابر نفوذ میدانهای خارجی باشد و همینطور از نشت میدانهای الکترومغناطیسی به وجود آمده داخلی به بیرون جلوگیری کند. از لحاظ هدایتی کانکتور باید دارای فیلترهای مناسبی باشد تا نویز هدایتی و نیز نویزهای گذرا را با توجه به حساسیت کاربرد و نیز سطح نویز اعمالی کاهش دهد و یا حذف کند .[2]
کارایی شیلد2 کانکتور پارامتری است که میزان کاهش عبور موج در فرکانسهای متفاوت را نشان میدهد. این پارامتر نسبت اندازه میدان در دو حالت عدم حضور شیلد و حضور شیلد است. کانکتوری که دارای کارایی شلید مناسب است، در محل اتصال، امپدانس کوچک ایجاد میکند تا توزیع جریان طولی روی شیلد به صورت یکنواخت انجام شود و نشتی انرژی الکترومغناطیسی از درون به بیرون و از بیرون به درون حداقل شود. همچنین یک کانکتور خوب، مانع از زدن جرقه به علت عدم اتصال مناسب هادیها به خصوص در انتقال توان بالا میشود . [3]
به منظور بررسی کارایی شیلد کانکتورها از نرم افزار شبیهسازHFSS استفاده میکنیم. با توجه به پارامترهای موثر در کارایی شیلد و ضریب SE - Shielding Effectiveness - ، بهترین راه بررسی این پارامترها و راهکارهای بهبود آن، بررسی توزیع و چگالی میدان بر روی کانکتور است. بدین منظور میبایست ابتدا توزیع میدانها را بر روی کانکتور بهدست آورده و محلهای نفوذ آن را بررسی کنیم .[4] نرم افزار HFSS قادر است، توزیع میدانها را بر روی هر ساختاری محاسبه کند. در این مقاله روش محاسبهی توزیع میدان بر روی کانکتور مورد بررسی را معرفی میکنیم.
-2روش طراحی و شبیهسازی
نرمافزار تجاری HFSS یکی از پرکاربردترین نرمافزارهای تجاری حال حاضر در عرصه برق-مخابرات است که برای مدلسازی و شبیهسازی بسیاری از مسائل روز مهندسی مایکروویو در این عرصه مناسب است. این نرمافزار تکنیک عددی FEM را برای آنالیز و تحلیل مسئله در حوزه زمان انجام میدهد. در این روش معادلات ماکسول در شکل انتگرالی بر روی ناحیه موردنظر به صورت گسسته حل میشود. حل فرم انتگرالی معادلات ماکسول به پایداری روش کمک شایانی میکند. مراحل استفاده از این نرمافزار برای شبیهسازی کانکتور را میتوان به اختصار به این صورت بیانکرد:
- پیادهسازیکانکتور در محیط گرافیکی نرمافزار
- تعیین پارامترهای الکتریکی نظیر ضرایب گذردهی، نفوذپذیری و رسانایی برای مواد بکار رفته در کانکتور
- تعیین پارامترهای محیط شبیهسازی
- تعیین شرایط مرزی برای محیط شبیهسازی
- تعیین تحریک و انجام شبیهسازی
- تحلیل نتایج بدست آمده
برای پیادهسازی کانکتور مورد نظر در نرمافزار HFSS، با توجه به سهولت رسم در نرم افزارهای مکانیکی، در محیط نرم افزار اتوکد نصب گردید و با پسوند .igs ذخیره شد. بهسادگی میتوان فایلهایی با این پسوند را توسط HFSS باز کرد. این موضوع کمک شایانی در کاهش زمان مدلسازی میکند. البته لازم به ذکر است که نمیتوان از این فایل به طور مستقیم استفاده کرد.
دلیل آن این است که فایل برای منظورهای مکانیکی تهیه شده است و محدودیتهای شبیهسازهایی مانند HFSS را رعایت نمیکند. یکی از محدودیتهای اصلی در کار با نرمافزارهای عددی نظیر HFSS، نحوه مشبندی آنها است. بدین منظور باید تکتک قطعات تعریف شده در کانکتور بررسی و عیبهای موجود از نقطه نظر نرمافزار رفع شوند تا فرآیند مشبندی نرمافزاری به سادگی صورت پذیرد و مشکلی حادث نشود. خطاهایی که بررسی و رفع شدند عبارتند از:
- خطای تنظیمات اولیهی نرم افزار
- خطای رسم شکل سه بعدی
- خطای تحریک و شرایط مرزی
- خطای مش بندی
- خطای مربوط به تنظیمات شبیهسازی
- خطای الگوریتم بهینه سازی
- خطای میدانهای تشعشعی
در این مقاله ابتدا تک تک خطاهای ذکر شده در بالا بررسی شده و سپس روشهای عملی گوناگونی برای رفع آنها عنوان شده است. در ادامه کانکتور سری 851 با استفاده از این روشها شبیهسازی شده و نتایج حاصل به منظور بهبود کارایی شیلدینگ مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. دو پارامتر ضریب SE و - Voltage Standing Wave Ratio - VSWR کانکتور سری 851 محاسبه و بررسی شده اند، که نتایج هر کدام در ادامه آورده شده است.
VSWR کانکتور به صورت زیر توسط نرم افزار HFSS محاسبه شده است: همان طور که در شکل2 مشاهده میشود، VSWR سیستم با افزایش فرکانس، کاهش مییابد. با توجه به پارامترهای موثر در کارایی شیلد و ضریب SE، بهترین راه بررسی این پارامترها و راهکارهای بهبود آن، بررسی توزیع و چگالی میدان بر روی کانکتور است. بدین منظور میبایست ابتدا توزیع میدانها را بر روی کانکتور به دست آورده و محلهای نفوذ آن را بررسی کنیم. نرم افزار HFSS قادر است، توزیع میدانها را بر روی هر ساختاری محاسبه کند.
در این مقاله روشهای محاسبهی توزیع میدان بر روی کانکتور مورد بررسی را معرفی میکنیم. با استفاده از این روشها، توزیع میدان بر روی قسمتهای مختلف کانکتور به صورت زیر نشان داده میشود. نشت میدان الکتریکی سبب کاهش ضریب SE میشود. با توجه به این شکل، یکی از نواحی ضعف اصلی کانکتور ناحیه کوپلر آن است.
علت نشت میدان از این ناحیه وجود درز و شکاف در آن است. در این ناحیه به دلیل ناپیوستگی موجود، میدانهای الکتریکی میتوانند از داخل کانکتور به بیرون نشت کنند و بالعکس .[5] یکی از راههای کاهش نشت میدان از این ناحیه و افزایش ضریب SE، طراحی دقیق کوپلر به صورتی است، که درزهای بین کوپلر و بدنه کانکتور به حداقل برسد. ساختار پیچ باید به گونهای طراحی شود که تا حد امکان درزی بین کوپلر و بدنه کانکتور ایجاد نشود.
جنس کوپلر باید از فلزاتی با ضریب هدایت الکتریکی بالا - هادی الکتریکی خوب - انتخاب شود. علاوه بر این باید از فلزاتی با استحکام مکانیکی بالا در ساخت کوپلر استفاده کرد، تا با مرور زمان شکل کوپلر تغییری نکرده و درزی بین بدنه و کوپلر ایجاد نشود .[6] ضخامت کوپلر باید افزایش یابد تا نشت میدان کاهش یابد. با افزایش ضخامت فلز، میرایی میدانها در داخل آن افزایش یافته و نشت میدان کاهش مییابد. این امر موجب افزایش ضریب SE میشود.
راه حل دیگر برای افزایش ضریب SE و کاهش نشت میدانها، استفاده از مواد جاذب در محل کوپلر است. این مواد را میتوان به صورت واشرهایی در محل اتصال کوپلر به بدنه کانکتور استفاده کرد. با استفاده از واشرهای جاذب، درزهای بین کوپلر و بدنه کانکتور گرفته شده و درصد نشت میدانها به داخل و خارج کانکتور به شدت کاهش مییابد. در نتیجه ضریب SE افزایش مییابد.[7]
با توجه به شکل بالا یکی دیگر از نواحی نشت میدان، ناحیه مشخص شده با سبز مایل به آبی است. علت نشت میدان از این ناحیه، نازک بودن ضخامت فلز استفاده شده در این ناحیه و همچنین جنس آن است. با افزایش ضخامت فلز استفاده شده در این ناحیه، و همچنین استفاده از فلزاتی با ضریب هدایت الکتریکی بالا، میتوان از نشت میدان از این ناحیه جلوگیری کرد و ضریب SE را افزایش داد. قسمتهای دیگر کانکتور را نیز با روش بالا میتوان از نظر نشت میدانهای الکتریکی بررسی کرد. در شکل4 ناحیه دیگری از کانکتور مورد بررسی قرار گرفته است.
همان طور که در شکل3 نیز مشخص است، در نواحی با رنگ متمایل به آبی، شدت میدان الکتریکی کوچکتر و در نواحی با رنگ متمایل به قرمز، شدت میدان الکتریکی بزرگتر است. بنابراین بیشترین نشت میدان در ناحیه کوپلر کانکتور روی داده است. همان طور که در شکل4 مشخص است، در ناحیه نشان داده شده با رنگ قرمز، نشت میدانهای الکتریکی اتفاق افتاده است.
