OpenEMSでメタルを完全導体から銅に変更して、シミュレーションと実測の結果を比較していく。
OpenEMSのLegacy WikiのOnline ManualのPropertiesのMetalによると、AddMetalに代えてAddConductingSheetとすることで、電気伝導率を設定したメタルにすることができるらしい。しかも、メタル厚さはここで指定するので、形状データに厚さを入れ込む必要はなさそう。
んで、
gen_small_loop_coil.mのなかの
CSX=AddMetal(CSX,metal_name);を
#CSX=AddMetal(CSX,metal_name);CSX=AddConductingSheet(CSX,metal_name,58e6,40e-6);ってする。
んで、また約7時間かけて実行する。
コイル間距離=96mmで同調をとった後、コイル間距離=20mmで実測と比較
で、もちっと詳細にコイルの等価回路を出していこうと思う。シミュレーションデータはたぶん特に解析周波数の端付近が精度が悪かったりおかしな結果になってたりするっぽいので、波形を理解して定数を推定できない(と思う)。んで、力任せにカーブフィットで定数を推定していく。解析の中心周波数付近で、インピーダンスについて等価回路の計算結果とOpenEMSの結果が一致するようにする。
こんなコードで
coil_param_fit.py
- import numpy as np
- import skrf as rf
- import matplotlib.pyplot as plt
- import scipy
-
- def Calc_Network(L,Rs,Cp,Cpadd,Rp,gnd,port1):
- cnx=[
- [(port1,0),(L,0),(Cp,0),(Cpadd,0),(Rp,0)],
- [(L,1),(Rs,0)],
- [(Rs,1),(Cp,1),(Cpadd,1),(Rp,1),(gnd,0)]
- ]
- cir=rf.Circuit(cnx)
- ntw=cir.network
- return ntw
-
- FILE1=rf.Network('../out_cu_96.s2p')
- FILE1.name='FILE1'
- f_start=FILE1.frequency.start
- f_stop=FILE1.frequency.stop
- nop=FILE1.frequency.npoints
- freq=FILE1.frequency
-
- tl_media = rf.DefinedGammaZ0(freq, z0=50)
- gnd = rf.Circuit.Ground(freq, name='gnd')
- port1 = rf.Circuit.Port(freq, name='port1', z0=50)
-
- f_range_lower=12e6
- f_range_upper=15e6
-
- L_def=1540e-9
- Rs_def=0.5
- Cp_def=0.66e-12
- Rp_def=75000
- Cpadd_def=89e-12
-
- tl_media_file= rf.DefinedGammaZ0(freq, z0=50)
- gnd_file = rf.Circuit.Ground(freq, name='gnd_file')
- port1_file = rf.Circuit.Port(freq, name='port1_file', z0=50)
- Cpadd_file=tl_media.capacitor(Cpadd_def, name='Cpadd')
- cnx_file=[
- [(port1_file,0),(FILE1,0),(Cpadd_file,0)],
- [(gnd_file,0),(Cpadd_file,1)]
- ]
- cir_file=rf.Circuit(cnx_file)
- ntw_file=cir_file.network
-
- x0=(L_def,Rs_def,Cp_def,Rp_def)
-
- def generate_network(L_val,Rs_val,Cp_val,Rp_val):
- L=tl_media.inductor(L_val,name='L')
- Rs=tl_media.resistor(Rs_val,name='Rs')
- Cp=tl_media.capacitor(Cp_val, name='Cp')
- Rp=tl_media.resistor(Rp_val,name='Rp')
- Cpadd=tl_media.capacitor(Cpadd_def, name='Cpadd')
- ntw=Calc_Network(L,Rs,Cp,Cpadd,Rp,gnd,port1)
- return ntw
-
- def get_err(x):
- ntw=generate_network(*x)
- irange=np.where((ntw.f>=f_range_lower)&(ntw.f<=f_range_upper))
- calc_z_re=ntw.z_re[irange,0,0][0]
- file_z_re=ntw_file.z_re[irange,0,0][0]
- calc_z_im=ntw.z_im[irange,0,0][0]
- file_z_im=ntw_file.z_im[irange,0,0][0]
- err_re=np.sum((file_z_re-calc_z_re) ** 2)
- err_im=np.sum((file_z_im-calc_z_im) ** 2)
- print(err_re+err_im)
- return err_re+err_im
-
- res=scipy.optimize.fmin(get_err,x0)
- print(res)
-
- ntw=generate_network(*res)
- irange=np.where((ntw.f>=f_range_lower)&(ntw.f<=f_range_upper))
- fig=plt.figure()
-
- ax1=fig.add_subplot(2,1,1)
- ax1.plot(ntw.f[irange],ntw.z_re[irange,0,0][0])
- ax1.plot(ntw_file.f[irange],ntw_file.z_re[irange,0,0][0])
-
- ax2=fig.add_subplot(2,1,2)
- ax2.plot(ntw.f[irange],ntw.z_im[irange,0,0][0])
- ax2.plot(ntw_file.f[irange],ntw_file.z_im[irange,0,0][0])
-
- fig.tight_layout()
- plt.show()
ついでに、手作りコイルも実測データからこのコードで等価回路定数を推定してしまう。
そすっと| OpenEMS | 手作りコイル | |||
| TX | RX | TX | RX | |
| L[nH] | 1506.69974 | 644.510935 | 1535.74693 | 677.826358 |
| Rs[ohm] | 0.692581008 | 0.683139303 | 3.82118882 | 1.63220125 |
| Cp[pF] | 2.64885043 | 1.61053898 | 13.6028450 | 11.4099153 |
| Rp[ohm] | 3239658.97 | 4262222.68 | 22713.4181 | 3201.28163 |
| (Cpadd)[pF] | 89 | 213 | 76 | 191 |
で、この定数を使った等価回路と、OpenEMSまたは手作り実測とを比較することで結合係数を推定してみる。
まぁ、こんな感じで、
これもscikit-rfとscipy.optimizeでやるって手もあるんだけど、1パラメータなので、手でいいかなーって；
| コイル間距離[mm] | OpenEMS | 手作りコイル |
| 2 | 0.1616 | 0.1627 |
| 4 | 0.1448 | 0.1455 |
| 12 | 0.0775 | 0.0759 |
| 20 | 0.0403 | 0.0411 |
賑やかしのため、等価回路と実測を比較したものも載せておく
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