Simulação de Interferência entre cabos usando Modelo de Ordem Reduzida (ROM)

1 - Introdução

            Em simulação eletromagnética para desenvolvimento de produto o software HFSS é muito utilizado e aceito no mercado devido a sua alta confiabilidade e precisão de resultados. Para testes mais complexos, envolvendo interferência eletromagnética, a ferramenta pode demandar mais recursos computacionais e tempo de cálculo, para atingir os resultados esperados. O uso de softwares que possuam técnicas de simulação com tempo de processamento mais rápido, se torna uma alternativa para esses casos. O Ansys Simplorer é uma alternativa para reduzir o tempo de simulação, sendo um simulador de circuito multifísico, capaz de inserir em uma única simulação a parte elétrica, mecânica, térmica, de fluidos e integrar os resultados para uma otimização de diferentes sistemas dependentes de diferentes fatores físicos.

Nesse contexto, dispositivos eletromagnéticos em modelo 3D, simulados com Método dos Elementos Finitos FEM (em inglês: Finite Element Method), mais complexos requerem mais tempo de simulação. Assim o Simplorer permite utilizar modelo de ordem reduzida ROM (em inglês: Reduced Order Model) representando uma simplificação de alta fidelidade do modelo simulado em FEM, com a finalidade de reduzir o tempo de solução ou o consumo de memória necessária para simular esses modelos mais complexo.

2 – Estudo de caso para interferência entre cabos

O projeto do cabeamento elétrico é um dos componentes mais críticos quando se trata de testes de campo irradiado de alta intensidade (em inglês: High Intensity Radiated Field – HIRF) e geralmente é desenvolvido pelo fabricante da aeronave.

O HIRF é um teste de imunidade irradiada, no qual o desempenho de um dispositivo em teste (Device Under Test  - DUT) é avaliado sob um determinado campo irradiado.

Em um sistema ideal como mostrado na Fig. 1, os sinais da fonte E₁ e E₂ são gerados diretamente para as cargas R₁ e R₂, respectivamente.

Fig. 1 – Sistema ideal.

A fonte E₁ de 100 MHz como mostrada na Fig. 2(a) envia o mesmo sinal para a carga R₁ como observamos na Fig. 2(b). O mesmo acontece na com a fonte E₂ para a carga R₂. Ou seja observamos que o sinal que controla R₁ é independente do sinal de R₂, não observando nenhuma interferência entre ambos.

(a)    Sinal de entrada das fontes E1 e E2.

(b)    Sinal de saída em R1 e R2

Fig. 2 – Sinais de entrada e saída.

Aqui temos um exemplo de um cabeamento elétrico projetado no HFSS. O projeto apresenta dois cabos em paralelo como observado na Fig. 3(a). O campo elétrico de ambos os cabos são ilustrados na Fig. 3(b), onde podemos observar a interação de ambos os campos elétricos, pelo fato de estarem próximos.

(a) Cabo no HFSS	(b) Campo Elétrico nos cabos
Fig. 3 – Cabeamento elétrico no HFSS 3D.

 Esse projeto de cabo no HFSS é então exportado em um modelo de ordem reduzida (ROM) como observado na Fig. 4

Fig. 4 – Exportando em modelo de ordem reduzida no HFSS.

 Diferentemente de uma co-simulação, o ROM tem característica de transformar os resultados obtidos com a geometria 3D em um bloco matemático, por equações diferenciais. A redução do tempo de simulação pode chegar a 98%, sendo uma simulação quase instantânea. Assim, inserimos um sinal em dois terminais do cabo, como mostrado na Fig.5(a). Devido à interação do campo elétrico entre os cabos, observamos o crosstalk na Fig.5 (b).

(a)    Modelo ROM cabo.	(b)    Sinal de saído com crosstalk.

Fig. 5 – Circuito no Simplorer com modelo de cabos.

Agora inserimos uma antena para produzir um campo eletromagnético externo e verificar o comportamento do sinal de saída do cabo, com a influência da aeronave e antena como ilustrado na Fig.6. Esse modelo 3D é projetado no HFSS, e exportado no formato ROM, para o Simplorer.

Fig. 6 – Modelo 3D no HFSS.

Fontes são novamente adicionadas nos cabos, e uma fonte é adicionada a antena com campo de 20V para produzir um sinal externo a aeronave. A Fig. 7(a) mostra a configuração das fontes ao modelo e consequentemente verificamos, na Fig. 7b, um crosstalk com alta interferência eletromagnética proveniente da antena externa à aeronave.

(a)    Modelo ROM cabo e aeronave.	(b)    Sinal de saído com crosstalk mais atenuado.

Fig. 7 – Circuito no Simplorer com modelo de cabos, aeronave e antena.

            Se diminuirmos o campo radiado pela antena para 1V, verificamos, na Fig. 8, um crosstalk semelhante ao caso dos cabos como ilustrado na Fig. 5b. A geração de campo externo distorce o sinal dos cabos dentro da aeronave, causando uma interferência eletromagnética e dificultado a detecção interna dos equipamentos, esse campo externo pode ser gerado por uma antena de radar, por exemplo. 

Fig. 8 – Redução do campo irradiado pela antena.

3 – Conclusão

Nesse estudo, a simulação no Simplorer fazendo uso de ROM  durou segundos, reduzindo em 98% o tempo necessário para realizar a simulação em comparação com uma co-simulação entre HFSS e Simplorer, sem a utilização de ROM. Com a tecnologia ANSYS ROM, podemos facilmente construir modelos de ordem reduzida, transformando os resultados da simulação 3D em modelos a nível de sistema que simulam em uma fração do tempo exigido pelos modelos 3D, e tudo isso preservando a precisão e confiabilidade dos resultados.