Transcript Centre for Wireless Communications (CWC) University of

Telecommunication laboratory
Super NEC
EM-Simulointiohjelmisto
EM Simulation Package
VEIKKO HOVINEN
Tutkija
OULUN YLIOPISTO
Tietoliikennelaboratorio /CWC
PL 4500, 90014 Oulun yliopisto
Puh 08 553 2831, GSM 040-572 7802,
Email: [email protected]
Sisältö
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Mikä se on? — What is it?
Yleistä — Overview
MoM / UTD
Syöttötiedot — Input
Tulostiedot — Output
Käsikirjat — Manuals
Käyttöjärjestelmäalustat — Platforms
Rakenteet — Structures
Antennit — Assemblies
Esimerkki: Tasavälinen dipoliryhmä — Dipole ULA
10.5.2006 TLST / SuperNEC
(c) V. Hovinen
2
Mikä se on?—What is it?
• simulointiohjelmisto
– sähkömagneettisten kenttien analysointiin
– antennirakenteiden suunnitteluun
• perustuu
– momenttimenetelmään ( MoM ) /
– yleiseen (yhtenäiseen) diffraktioteoriaan ( UTD )
• SuperNEC is hybrid simulation program for
– designing antenna structures
– analysis of electromagnetic fields
• based on
– Method of Moments ( MoM )
– Unified Theory of Diffraction ( UTD )
10.5.2006 TLST / SuperNEC
(c) V. Hovinen
3
Mikä se on?—What is it?
• Taustalla FORTRAN-kielinen NEC2-kirjasto (Numeric Electromagnetic Code)
• Alkuperäisen NEC2-kirjaston optimoitu versio (1989)
– Windows- ja Unix-/Linux-alustoille
– Hyödyntää rinnakkaislaskentaa (Parallel Virtual Machines, PVM)
• Based on NEC (Numeric Electromagnetic Code) subroutines written for
FORTRAN
• Optimised version of the original NEC library
– for Windows- and Unix-/Linux Platforms
– Parallel computing by using Parallel Virtual Machines, PVM
10.5.2006 TLST / SuperNEC
(c) V. Hovinen
4
Mikä se on?—What is it?
• Lisenssit – Lataus verkosta
– Opiskelijat ja opettajat: ilmainen konekohtainen lisenssi
•
•
Tarvitsee alle Matlab V6.5:n tai uudemman
Rajoitteena max. 300 rakennesegmenttiä ja max. 10 syöttöpistettä
– 30 vrk demoversio
– Täysi lisenssi – sis. Matlabin funktiokirjastot
• Licenses – Download from Supernec Home
– Free academic license for students and teachers
•
•
Needs a working copy of Matlab V6.5 or better
Limited to max. 300 segments and max. 10 sources
– 30-day trial version
– Full license – Includes Matlab runtime libraries
10.5.2006 TLST / SuperNEC
•Details for the different demo
licensing options:
•Free Academic License:
Duration - 1 year
Limitation - 300 segments
Cost - Free
Requirements - You must be a student
or lecturer and fax or e-mail proof
(normally a University Card) to +27 11
262 5156.
You must have MATLAB v 6.0 or higher.
•
Demo License:
Duration - 30 days
Limitation - 300 segments
Cost - Free
Requirements - None. This demo license
includes a MATLAB runtime License.
(c) V. Hovinen
5
Yleistä — Overview
• Geometrisen ja yleisen diffraktioteorian yhdistäminen (GTD/UTD) mahdollistaa
suurten pintojen mallintamisen
• Helppokäyttöiset graafiset käyttöliittymät 3D -syöttötietojen ja -tulosten
tarkasteluun
• Käyttöliittymä toteutettu Matlabin GUI:lla
– Toiminnan ohjaus myös suoraan Matlabista funktioiden tai komentojonojen (script)
avulla
– Verkkolisenssit useammalle käyttäjälle
• GTD/UTD hybridisation allows efficient modelling of large surfaces.
• Easy to use 3D input and output Graphical Interfaces.
• User interface is based on Matlab GUI
– Full program functionality/scripting abilities via Matlab command line calls
– Network licenses available for multiple users
10.5.2006 TLST / SuperNEC
(c) V. Hovinen
6
Yleistä — Overview
• Kattava HTML –pohjainen opastus
– lähtien perustaidoista
– simuloinnin taustalla olevaan teoriaan saakka
• Rinnakkaislaskenta optiona
– laajamittaiset rakenneanalyysit
– käyttää TCP/IP –verkkoon kytkettyjä työasemia
• Comprehensive HTML help
– including topics ranging from basic program usage all the way through to engine
theory
• Parallel execution option
– available for very large problems
– makes use of many computers linked on a TCP/IP network (parallel version
operates as a distributed memory parallel network)
10.5.2006 TLST / SuperNEC
(c) V. Hovinen
7
MoM/UTD
•
Mukana kaikki NEC2 -kirjaston MoM-funktiot
–
•
MOM/UTD-hybridi
–
–
–
•
ottaa huomioon impedanssimatriisin muutokset esim. kun dipolin koko kasvaa  kuvaus
muuttuu GTD:n mukaiseksi syrinteriksi
mukana elliptiset sylinterit ja suorasärmäiset kappaleet
laskennassa mukana 3-kertaiset diffraktio- ja/tai heijastus –komponentit
Analysoitavalla rakenteella ei ole kokorajoituksia
–
–
•
nopeampi kuin FORTRAN-pohjainen NEC
Dynaamiset data-rakenteet
Työaseman massamuisti asettaa rajat
MoM theory based on NEC2 basis/testing functions.
–
–
–
–
–
All NEC2 features available.
UTD hybrid on level of impedance matrix interactions added eg: Dipole impedance changes
when approaching GTD cylinder.
Faster execution than FORTRAN implementation (on pure MoM).
UTD objects include elliptical cylinders and flat plate polygons. (Up to triple diffraction/reflection
components)
No dimension limits on anything (except by physical memory) due to dynamic data structures.
10.5.2006 TLST / SuperNEC
(c) V. Hovinen
8
MoM/UTD
• Ratkaisujen laskenta
•
•
suoran LU-hajotelman avulla (kuten useimmissa muissa simulaatio-ohjelmissa)
tai nopeammilla menetelmillä (iteratiiviset menetelmät, harvojen matriisien nopeat
ratkaisumenetelmät)
• Valmiit rakenteet (assembly) helpottavat suunnittelua
•
•
•
toteutettu muokattavina Matlab M-tiedostoina
dipolit, jagit, heliksit, LPDA-tasot, laatikot, parab. rakenteet, ajoneuvot, lentokoneet, jne.
rakenteet voivat koostua muista yksinkertaisemmista perusrakenteista
• Solution can be calculated by
•
•
direct LU-decomposition (as used by most other simulation software) or
using faster methods such as: iterative methods (bi-conjugate gradient stabilised,
sparse iterative method) or Simply Sparse for solving large problems quicker, using less
memory.
• Use of assemblies to aid in model construction.
•
•
•
Assemblies are higher level structures implemented using Matlab language m files, which
users can use/add /modify.
Examples of assemblies include dipoles, yagis, helixes, LPDAs plates, boxes, parabolic
dishes, vehicles, aircraft etc.
Assemblies may also consist of other assemblies.
10.5.2006 TLST / SuperNEC
(c) V. Hovinen
9
Syöttötiedot — Input
• Mallin tarkistus
– Automaattinen segmentointi
– varmistaa, että malli pysyy teorian asettamissa rajoissa
• Kattava simuloinnin kontrolli
– taajuus, maataso, heräte, tulosten esitytapa, laskenta-asetukset
• Model checking
– Automatic segment gridding at model frequency
– to help ensure that models stay within theory limits.
• Full control interface
– freq, ground, excitation, pattern requests, solver settings
10.5.2006 TLST / SuperNEC
(c) V. Hovinen
10
Tulostiedot — Output
• 2D/3D antennirakenteen ja säteilykuvioiden samanaikainen tarkastelu
– napakoordinaatisto / suorakulmainen koordinaatisto
– lineaarinen / logaritminen asteikko
– impedanssisovitus: Smithin kartta, paluuhäviöt, seisovan aallon suhde (VSWR),
vahvistus, säteilytehokkuus, keskinäiskytkentä
– piirianalysaattorista tutut markkerit ja arvon näytöt
– virtajakaumat (rakenteen päälle väreillä piirrettynä)
– lähi-/kaukokentät (ääriviiva / väri jne.)
• 2D/3D polar and rectangular radiation pattern plots with structure overlay.
– Impedance, Smith Chart, return loss, VSWR, gain, efficiency, coupling, log scales
etc. plots with Network Analyser style markers and legends
– Current distributions (colour mapped on structures)
– Near fields / far fields (contour/colour etc)
10.5.2006 TLST / SuperNEC
(c) V. Hovinen
11
Käsikirjat — Manuals
• 1. Aloitusopas
•
asennuksen ja käytön lyhyt opastus
• 2. Käyttöliittymä: Syöttötiedot - käyttäjän käsikirja
•
rakennemallien laatiminen ja simuloiminen
• 3. Käyttöliittymä: Tulostiedot - käyttäjän käsikirja
•
SuperNEC -tiedostojäsennin ja graafiset apuvälineet
• 4. Geneettisen algoritmin optimointi
•
GA-teoria ja sen käyttö SuperNEC:issä
• 5. MoM/UTD hybridin käyttäjän käsikirja
•
SuperNEC:in komennot, syöttötiedoston rakenne. Tarpeen niille, jotka käyttävät
SuperNEC:iä laskentakoneena ilman graafista käyttöliittymää
• 6. Momenttimenetelmän tekninen käsikirja
•
•
MoM –teorian soveltaminen SuperNEC:in lähdekoodissa
Selvittää sähkömagneettisen aallon etenemiseen liittymää matematiikkaa
• 7. Rinnakkaismomenttimenetelmän käyttäjän käsikirja
•
SuperNEC:in käyttö rinnakkaislaskentaan Windows-alustalla
• 8. Yleisen diffraktioteorian tekninen käsikirja
•
UTD –teorian soveltaminen SuperNEC:in lähdekoodissa
10.5.2006 TLST / SuperNEC
(c) V. Hovinen
12
Käsikirjat — Manuals
• 1. Getting Started
•
Assists to install and gives a short tutorial on how to use
• 2. GUI Input User Reference Manual
•
The structure editor and the generation and simulation of models.
• 3. GUI Output User Reference Manual
•
The SuperNEC file parser and all the output graphical utilities available in SuperNEC.
• 4. Genetic Algorithm optimiser.
•
provides theory on GA’s its usage in SuperNEC.
• 5. MoM/UTD Hybrid User Reference Manual
•
command line reference to the SuperNEC engine, construction of a SuperNEC input file
for the engine. (only required if you want to manually construct your own SuperNEC input
files without using the structure editor).
• 6. Parallel MoM User Reference Manual
•
The manual that documents the setting up of the parallel SuperNEC for Windows
machines.
• 7. MoM Technical Reference Manual
•
The SuperNEC technical reference manual which documents the MoM theory used in the
code.
• 8. UTD Technical Reference Manual
•
The technical documentation
for the
UTD aspects of the(c)
SuperNEC
code.
10.5.2006 TLST
/ SuperNEC
V. Hovinen
13
Alustat — Platforms
• Tuetut käyttöjärjestelmät
– Windows 2000, XP (SNEC V2.7)
– Linux (SNEC V2.55)
• Supported Operating Systems
– Windows 2000, XP (SNEC V2.7)
– Linux (SNEC V2.55)
10.5.2006 TLST / SuperNEC
(c) V. Hovinen
14
Antennit — Assemblies
• www.supernec.com/interface.htm
• valmiiksi suunniteltuja antennirakenteita
– SuperNEC luo rakenteet annettujen parametrien mukaan
– ominaisuuksia voidaan muuttaa
– Käyttäjä voi lisätä rakennemalleja kirjastoon
• www.supernec.com/interface.htm
• predefined antenna structures
– SuperNEC generates the required antenna from the user-defined parameters
– user can tweak the parameters of the defined antenna
– user can define new assemblies
10.5.2006 TLST / SuperNEC
(c) V. Hovinen
15
Antennit — Assemblies
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Bowtie
Rusetti
Corner array
Kulma-antenniryhmä
Corner Reflector Kulmaheijastin
Dipole
Dipoli
Discone
Kartio
Folded dipole
Taitettu dipoli
Horn
Torviantenni
Log periodic dipole array
Log-periodinen dipoliryhmä
Log periodic monopole array
log-periodinen monopoliryhmä
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Loop
Silmukka
Monopole
Monopoli
Patch
Mikroliuska
Patch antenna with L feed
Mikroliuska (L-syöttö)
Quadpatch
4-osainen mikroliuska
Helix
Heliksi
Quadrafilar helix 4-kierteinen heliksi
Rectangular loop
Suorakulmainen silmukka
Wire conic
Lankakartio
Yagi
Yagi
10.5.2006 TLST / SuperNEC
(c) V. Hovinen
16
Rakenteet — Structures
• www.supernec.com/interface.htm
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Box
Cone
Cylinder
Ellipse
Extrusion
Mast
Parabolic dish
Plate
Rectangular pipe
Semi cylinder
UTD disk
UTD rectangular pipe
UTD triangle
Wire
Wires
Laatikko
Kartio
Sylinteri
Ellipsi
Kulma
Masto
Parabolinen lautanen
Taso
Suorakulmainen putki
Puolisylinteri
UTD kiekko
UTD suorakulminen putki
UTD kolmio
Suora lanka
Polveileva lanka
10.5.2006 TLST / SuperNEC
(c) V. Hovinen
17
/2 Dipoliryhmä – Dipole Array
•
•
•
Pääkeila halutaan suuntaan 60°
Main lobe is steered to 60°
Dipolien välimatka on puoli aallonpituutta
Dipole separation is half wave length
Dipolien väliseksi vaiheensiirroksi
tarvitaan
Progressive phase shift between the
dipoles should be

d  2
Ae j
  kd cos
2 

cos
 2
 
  cos 
3


2
10.5.2006 TLST / SuperNEC
(c) V. Hovinen
18
Dipoliryhmä – Dipole Array
10.5.2006 TLST / SuperNEC
(c) V. Hovinen
19