Высокопроизводительный пакет программного обеспечения для ЭМ-анализа в 3D, предназначенный для проектирования, анализа и оптимизации электромагнитных компонентов и систем.
CST Studio Suite предоставляет клиентам доступ к нескольким решающим программам электромагнитного моделирования, которые используют такие методы, как метод конечных элементов (FEM), метод конечной интеграции (FIT) и метод матрицы линий передачи (TLM).
Моделирование космической связи
В космосе происходит много шума, когда люди и машины отправляют электронные сообщения туда и обратно через пустоту. Чтобы все могли лучше слышать друг друга, радиочастотные (РЧ) волноводные фильтры были ключевыми технологиями связи с самых первых дней космической эры.
Хотя небо переполнено радиосигналами, эти фильтры служат привратниками, которые отсеивают нежелательные частоты, пропуская при этом выбранные каналы. Типичный современный телекоммуникационный спутник может нести сотни таких фильтров. Они разработаны со сложными внутренними контурами, специально выбранными для работы с очень разными частотами, которые позволяют использовать несколько сигнальных лучей.
Airbus Defence and Space Ltd. десятилетиями работала над рядом проектов с Европейским космическим агентством (ESA); подразделение Space Systems компании Airbus поддерживает ЕКА в разработке конструкции спутниковой антенны. В последнее время, опираясь на предыдущие исследования и растущий потенциал аддитивного производства для революционного изменения проектной мысли, Airbus Defence and Space разрабатывает РЧ-фильтры, напечатанные на 3D-принтере, для ЕКА с помощью программного обеспечения SIMULIA CST Studio Suite.
Возглавляя группу разработчиков последнего проекта ЕКА, инженер Airbus RF Пол Бут изучал электротехнику и электронику в Университете Лидса. Бут, специалист по волноводным и коаксиальным фильтрам, прочитал запрос предложений (RFP) от ESA, который вызвал у него интерес.
Возможность применить идею 3D-печтаи в обычном дизайне
«Мы уже выполнили некоторые другие работы по 3D-печати с ESA, и это казалось прекрасной возможностью распространить это на волноводные фильтры», — говорит он. «В начале предыдущего проекта ESA находилась на ранних стадиях рассмотрения возможности аддитивного производства механических компонентов, и мы предложили использовать металл в качестве материала для 3D-печати радиочастотных компонентов в многолучевом массиве подачи».
Вместе с Airbus Innovation Works и Space Engineering была сформирована команда, которая будет предоставлять производственные ноу-хау и поддержку проектирования соответственно. «Мы выиграли контракт, а затем попытались мыслить немного нестандартно с 3D-печатью, вместо того, чтобы полагаться на проверенные стандартные реализации и просто закруглять углы фильтров для улучшения радиочастотных характеристик», — говорит Бут.
В настоящее время связь между спутниками и Землей осуществляется почти исключительно на основе радиочастот, и постоянной целью является повышение производительности. «Есть некоторые эксперименты с использованием лазеров, но в настоящее время они в основном ограничены межспутниковой связью», — говорит Бут. «Поэтому для большинства современных фильтров вам по-прежнему нужна направленная антенна для восходящей и нисходящей линий связи. Полезные нагрузки, как правило, представляют собой «изогнутую трубу», так что спутник принимает сигнал на одной частоте и передает его обратно на Землю с понижением частоты. Однако ситуация начинает меняться, поскольку операторы стремятся к большей гибкости».
Для проекта ESA команда Бута рекомендовала алюминий из-за его низкой плотности и хорошей теплопроводности, что важно для мощных фильтров, позволяющих эффективно рассеивать тепло. Это также процесс полного плавления, который снижает пористость, что важно, если компонент требует покрытия серебром.
«Наш опыт работы с этой технологией, безусловно, помог нам заключить контракт на волноводный фильтр, — говорит Бут. «Именно во время этого проекта мы поняли, что некоторые проблемы 3D-печати можно преодолеть, если немного подумать, чтобы создать лучший продукт в целом».
Производственные и эффективные преимущества
Итак, какие преимущества у волноводов, напечатанных на 3D-принтере, по сравнению с традиционными волноводными фильтрами? Бут видит немало.
«С обычными волноводными фильтрами программное обеспечение для проектирования может быть быстрым и точным, используя различные методы согласования мод», — говорит он. «Но изначально это были волноводные фильтры с острыми углами везде, что требовало электроэрозионной обработки деталей. Детали также обычно состоят из двух частей: либо две зеркальные половины, либо корпус и крышка, которые требуют сборки, обычно с помощью крепежных деталей. С программным обеспечением дела обстояли лучше, позволяя включать радиусы обработки, что, безусловно, сокращало время производства, но замедляло время проектирования».
Напротив, 3D-печать компонентов волновода позволяет получить оптимальную «органическую» форму без острых углов, обеспечивая лучшую производительность в широком диапазоне или меньшие вносимые потери — или компромисс между ними. «Есть также экономия в массе, которая может быть достигнута, если можно изготовить монолитную деталь, и мы обычно обнаруживаем, что масса уменьшается более чем на 40% по сравнению с деталями, обработанными традиционным способом», — говорит Бут. «Если больше функций можно объединить в одну деталь, то экономия массы может возрасти, поскольку нет необходимости в соединениях между отдельными компонентами. Существует также дополнительное преимущество сокращения времени сборки; две половинки больше не требуют соединения болтами, а потенциально отдельные компоненты не требуют сборки. Это может сильно повлиять на общую стоимость».
Тем не менее, потенциальная свобода проектирования, предлагаемая аддитивным производством, должна быть выражена в рамках строгих допусков по радиочастотам, поэтому команда Airbus обратилась к программному обеспечению SIMULIA CST для электромагнитного моделирования. CST STUDIO SUITE включает инструменты CST для проектирования и оптимизации устройств, работающих в широком диапазоне частот, от статических до оптических. Анализы могут включать тепловые и механические эффекты, а также моделирование цепей.
Проектирование пространства внутри компонента первым с помощью CST Studio Suite
Бут описывает, как команда использовала CST Studio Suite для ESA .дизайн фильтра: начиная с проприетарного программного обеспечения, они сначала рассмотрели требования к радиочастотам, чтобы определить порядок фильтра и возможные проблемы в достижении их целей. «Затем мы используем инструменты CST для получения наилучшей исходной геометрии резонатора с помощью решателя собственных мод», — говорит он. «Затем мы соединяем два резонатора через апертуру связи и создаем график связи в зависимости от ширины апертуры — снова с помощью решателя собственных мод. Исходя из этого, мы можем определить размер каждой апертуры, необходимой в фильтре, а также размеры отдельных резонаторов. Затем мы создаем фильтр в CST Studio Suite и используем решатель в частотной области для анализа и оптимизации проекта. На любом из этих этапов мы можем сделать небольшой шаг назад или изменить несколько параметров, чтобы улучшить производительность».
Особая прелесть инструмента CST заключается в том, что внутреннюю геометрию фильтра — пустое пространство внутри компонента, которое будет создавать желаемую конфигурацию ВЧ-частоты — можно считать отправной точкой процесса проектирования. «В самом начале этого проекта с ЕКА мы рассматривали определенные геометрические формы, — вспоминает Бут. «Но теперь для всего, что мы разрабатываем для спутников с программным обеспечением CST, нам нужны только требования к РЧ».
После завершения проекта окончательная геометрия экспортируется в формате .stp и отправляется производителю, в данном случае Airbus Innovation Works. (Группа также использует 3D Systems в Левене и недавно добавила свой собственный металлический принтер в Стивенидже, Великобритания). Готовые фильтры проходят вибрационные испытания для имитации запуска в космос, а также испытания на экстремальные температуры в вакууме для имитации условий эксплуатации.
Преимущества расширяются
Бут отмечает, что преимущества использования 3D-печати для производства фильтров оказались значительными. «Можно легко уменьшить массу такого компонента на 40–50% с помощью 3D-печати по сравнению с обычной механической обработкой», — говорит он. «В совсем недавнем проекте мы добились снижения массы более чем на 60%. С точки зрения оборота, от начала процесса проектирования до отгрузки готовой детали, мы можем увидеть сокращение на 10%. Однако для спутников с высокой пропускной способностью, требующих большого количества одинаковых конструкций, мы ожидаем, что это значительно улучшится. Большая часть экономии средств и сроков достигается за счет сокращения процессов сборки».
Работа Airbus Defence and Space для ЕКА определенно была командной. «Для фильтров, которые мы производили до сих пор, нам действительно требовалось согласие всех сторон, но они представляют собой изделия с низким уровнем нагрузки, поэтому механическая конструкция не была слишком требовательной», — говорит Бут. «То же самое и с тепловыми аспектами». Однако для более крупных и длинных антенных фидов он видит необходимость в гораздо более междисциплинарном подходе, позволяющем оптимизировать весь фид как единое целое. «В идеале, если бы мы могли использовать инструменты, совместимые друг с другом, возможно, даже интегрированные в общую платформу, тогда процесс проектирования мог бы быть намного эффективнее», — говорит он.
Бут отмечает, что окончательным доказательством успеха проекта по созданию фильтров является то, что Земля уже циркулирует: «Я рад сообщить, что в данный момент у нас есть фильтр в космосе, а еще одна пара будет запущена, надеюсь, в конце этого года или в начале. в следующем году." Сообщение приходит, громко и ясно.
#cst #cst studio suite #наука #наука и образование #наука и техника #3д моделирование