#!/usr/bin/env python3 # -*- coding: utf-8 -*- """ ================================================================================ INSTITUTO NACIONAL DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM TECNOLOGIAS FOTÔNICAS (IN-Foton) LABORATÓRIO DE TELECOMUNICAÇÕES (LabTel) / DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA (DEE) UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO (UFES) ================================================================================ Projeto Educacional: Portal IN-Foton / LabTel (in-foton.org) Módulo: [MOD-MTL] Análise de Linhas de Transmissão com Multicondutores (Material Bônus) Coordenação e Autoria: Prof. Marcelo Eduardo Vieira Segatto Descrição: Simulador e renderizador da animação tridimensional volumétrica da propagação temporal de potência de RF ao longo do eixo z em 2.4 GHz: 1. Decompõe a excitação terminal da linha central exclusivamente nos Modos 1 e 3; 2. Simula o batimento direcional espacial Delta_beta = |beta_3 - beta_1| = 10.53 rad/m; 3. Gera a animação 3D da densidade de potência (|v_i(z,t)|^2) trafegando sobre o topo das fitas de cobre com controle estrito de camadas (zorder) sem oclusões; 4. Demonstra a difração lateral em z ~ 30 cm e a reconvergência total em z ~ 60 cm; 5. Exporta o arquivo animado em formato GIF e instantâneo estático em PNG. Código 100% autônomo e autocontido (não requer dependências proprietárias). Licença: Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional (CC BY-SA 4.0) e Licença MIT para execução e reutilização do código computacional. Requisitos: Python 3.8+, numpy, matplotlib, pillow Uso: python gerar_animacao_3d_potencia.py ================================================================================ """ import os import sys import numpy as np import matplotlib matplotlib.use('Agg') import matplotlib.pyplot as plt import matplotlib.patches as patches from PIL import Image # Diretório de saída local DIR_OUTPUT = os.path.join(os.path.dirname(os.path.abspath(__file__)), "outputs") os.makedirs(DIR_OUTPUT, exist_ok=True) # ------------------------------------------------------------------------- # MOTOR GEOMÉTRICO ISOMÉTRICO 3D (PADRÃO IN-Foton / LabTel) # ------------------------------------------------------------------------- COS30 = np.cos(np.radians(30.0)) SIN30 = np.sin(np.radians(30.0)) def iso(x, y, z): """Converte coordenadas 3D (x, y, z) em projeção isométrica 2D plana.""" px = (x - y) * COS30 py = (x + y) * SIN30 + z return px, py COLOR_SUB_TOP = "#D5E8D4" COLOR_SUB_FRONT = "#82B366" COLOR_SUB_LEFT = "#5A8246" COLOR_SUB_EDGE = "#274E13" COLOR_CU_TOP = "#F59E0B" COLOR_CU_FRONT = "#D97706" COLOR_CU_LEFT = "#B45309" COLOR_CU_EDGE = "#78350F" def draw_substrate_and_gnd(ax, L, W, h, t_gnd=0.15): pts_gnd_f = [iso(0, 0, -t_gnd), iso(L, 0, -t_gnd), iso(L, 0, 0), iso(0, 0, 0)] ax.add_patch(patches.Polygon(pts_gnd_f, closed=True, facecolor=COLOR_CU_FRONT, edgecolor=COLOR_CU_EDGE, lw=0.8, zorder=1)) pts_gnd_l = [iso(0, 0, -t_gnd), iso(0, W, -t_gnd), iso(0, W, 0), iso(0, 0, 0)] ax.add_patch(patches.Polygon(pts_gnd_l, closed=True, facecolor=COLOR_CU_LEFT, edgecolor=COLOR_CU_EDGE, lw=0.8, zorder=1)) pts_sub_f = [iso(0, 0, 0), iso(L, 0, 0), iso(L, 0, h), iso(0, 0, h)] ax.add_patch(patches.Polygon(pts_sub_f, closed=True, facecolor=COLOR_SUB_FRONT, edgecolor=COLOR_SUB_EDGE, lw=1.1, zorder=2)) pts_sub_l = [iso(0, 0, 0), iso(0, W, 0), iso(0, W, h), iso(0, 0, h)] ax.add_patch(patches.Polygon(pts_sub_l, closed=True, facecolor=COLOR_SUB_LEFT, edgecolor=COLOR_SUB_EDGE, lw=1.1, zorder=2)) pts_sub_t = [iso(0, 0, h), iso(L, 0, h), iso(L, W, h), iso(0, W, h)] ax.add_patch(patches.Polygon(pts_sub_t, closed=True, facecolor=COLOR_SUB_TOP, edgecolor=COLOR_SUB_EDGE, lw=1.1, zorder=3)) def draw_planar_trace(ax, poly_xy, h=1.2, zorder_base=6): top_2d = [iso(x, y, h) for x, y in poly_xy] ax.add_patch(patches.Polygon(top_2d, closed=True, facecolor=COLOR_CU_TOP, edgecolor=COLOR_CU_EDGE, lw=1.0, zorder=zorder_base)) def main(): print("="*80) print("IN-Foton / LabTel / UFES — ANIMAÇÃO 3D DA DENSIDADE DE POTÊNCIA (2.4 GHz)") print("Coordenação: Prof. Marcelo Eduardo Vieira Segatto") print("="*80) L_sub = 18.0 # comprimento longitudinal equivalente a 60 cm W_sub = 10.0 # largura transversal h_sub = 1.2 # altura do substrato t_gnd = 0.15 w_strip = 1.6 s_sep = 1.1 y_c2 = W_sub / 2.0 # Linha 2 (Centro) = 5.0 y_c1 = y_c2 - (w_strip + s_sep) # Linha 1 = 2.3 y_c3 = y_c2 + (w_strip + s_sep) # Linha 3 = 7.7 Nx = 250 x_vals = np.linspace(0.0, L_sub, Nx) z_cm = x_vals / L_sub * 60.0 L_beat = 59.7 # cm (~596.6 mm) delta_beta = 2.0 * np.pi / (L_beat * 1e-2) z_m = z_cm * 1e-2 p2_frac = np.cos(delta_beta * z_m / 2.0)**2 p1_frac = 0.5 * np.sin(delta_beta * z_m / 2.0)**2 p3_frac = p1_frac N_frames = 50 z_centers = np.linspace(-4.0, 64.0, N_frames) sigma_cm = 7.0 max_h_pow = 3.6 print(f"Renderizando {N_frames} frames em alta resolução...") frames = [] for f_idx, z_cen in enumerate(z_centers): fig, ax = plt.subplots(figsize=(11.5, 6.6), dpi=120) ax.set_aspect("equal") ax.axis("off") fig.patch.set_facecolor('#0F172A') envelope = np.exp(-((z_cm - z_cen) / (2.0 * sigma_cm))**2) pow_1 = envelope * p1_frac pow_2 = envelope * p2_frac pow_3 = envelope * p3_frac # 1. Substrato e Terra draw_substrate_and_gnd(ax, L=L_sub, W=W_sub, h=h_sub, t_gnd=t_gnd) # 2. Pistas de Cobre for y_c in [y_c1, y_c2, y_c3]: y_bot = y_c - w_strip / 2.0 y_top = y_c + w_strip / 2.0 poly = [(0.0, y_bot), (L_sub, y_bot), (L_sub, y_top), (0.0, y_top)] draw_planar_trace(ax, poly, h=h_sub, zorder_base=5) # 3. Cortinas de Potência (Linha 3 -> Linha 2 -> Linha 1) lines_cfg = [ (y_c3, pow_3, "#059669", "#047857", "#6EE7B7", 15), (y_c2, pow_2, "#DC2626", "#B91C1C", "#FCA5A5", 20), (y_c1, pow_1, "#0284C7", "#0369A1", "#7DD3FC", 25) ] for y_c, pow_data, color_main, color_edge, color_top, zbase in lines_cfg: y_bot = y_c - w_strip / 2.0 y_top = y_c + w_strip / 2.0 poly_wall = [] for x in x_vals: poly_wall.append(iso(x, y_bot, h_sub)) for x, p in zip(reversed(x_vals), reversed(pow_data)): poly_wall.append(iso(x, y_bot, h_sub + max_h_pow * p)) ax.add_patch(patches.Polygon(poly_wall, closed=True, facecolor=color_main, edgecolor=color_edge, lw=0.7, alpha=0.92, zorder=zbase)) poly_top = [] for x, p in zip(x_vals, pow_data): poly_top.append(iso(x, y_bot, h_sub + max_h_pow * p)) for x, p in zip(reversed(x_vals), reversed(pow_data)): poly_top.append(iso(x, y_top, h_sub + max_h_pow * p)) ax.add_patch(patches.Polygon(poly_top, closed=True, facecolor=color_top, edgecolor=color_edge, lw=0.7, alpha=0.95, zorder=zbase+1)) crest_pts = [iso(x, y_c, h_sub + max_h_pow * p) for x, p in zip(x_vals, pow_data)] ax.plot([pt[0] for pt in crest_pts], [pt[1] for pt in crest_pts], color="#FFFFFF", lw=1.3, alpha=0.9, zorder=zbase+2) if 0 <= z_cen <= 60: x_marker = z_cen / 60.0 * L_sub m_start = iso(x_marker, 0.0, h_sub + 0.05) m_end = iso(x_marker, W_sub, h_sub + 0.05) ax.plot([m_start[0], m_end[0]], [m_start[1], m_end[1]], color="#F59E0B", linestyle="--", lw=1.2, zorder=30) ax.text(m_start[0] + 0.4, m_start[1] - 0.35, f"$z = {z_cen:.1f}\\text{{ cm}}$", color="#FDE68A", fontsize=8, fontweight="bold", zorder=30) # Rótulos p3_lbl = iso(0.0, y_c3, h_sub) ax.text(p3_lbl[0] - 0.7, p3_lbl[1] + 0.35, "Linha 3 (Lateral)", color="#34D399", fontsize=8, fontweight="bold", ha="right", bbox=dict(boxstyle="round,pad=0.2", facecolor="#064E3B", edgecolor="#10B981", alpha=0.85), zorder=35) p2_lbl = iso(0.0, y_c2, h_sub) ax.text(p2_lbl[0] - 0.7, p2_lbl[1] + 0.25, "Linha 2 (Centro / Excitada)", color="#FCA5A5", fontsize=8, fontweight="bold", ha="right", bbox=dict(boxstyle="round,pad=0.2", facecolor="#7F1D1D", edgecolor="#EF4444", alpha=0.85), zorder=35) p1_lbl = iso(0.0, y_c1, h_sub) ax.text(p1_lbl[0] - 0.7, p1_lbl[1] + 0.15, "Linha 1 (Lateral)", color="#7DD3FC", fontsize=8, fontweight="bold", ha="right", bbox=dict(boxstyle="round,pad=0.2", facecolor="#0C4A6E", edgecolor="#0284C7", alpha=0.85), zorder=35) p_top_corner = iso(L_sub, W_sub, h_sub) ax.text(0.0, p_top_corner[1] + 2.4, "Visualização 3D da Densidade de Potência de RF Trafegando ao Longo de $z$ (2.4 GHz)", fontsize=12, fontweight="bold", color="#38BDF8", ha="center") if z_cen < 12: estado = "Fase Inicial ($z \\approx 0$): 100% da energia concentrada na Linha Central" elif z_cen < 24: estado = "Transição ($0 < z < L_{\\mathrm{beat}}/2$): Difração e acoplamento progressivo para as laterais" elif z_cen < 36: estado = "Máxima Transferência ($z \\approx L_{\\mathrm{beat}}/2 \\approx 30\\text{ cm}$): Mínimo na central e pico nas laterais" elif z_cen < 48: estado = "Reconvergência ($L_{\\mathrm{beat}}/2 < z < L_{\\mathrm{beat}}$): Retorno da energia para a linha central" else: estado = "Ciclo Completo ($z \\approx L_{\\mathrm{beat}} \\approx 60\\text{ cm}$): 100% da energia reconverge ao centro" ax.text(0.0, p_top_corner[1] + 1.4, estado, fontsize=9.5, color="#F1F5F9", ha="center") ax.set_xlim(-12.0, 10.0) ax.set_ylim(-3.0, p_top_corner[1] + 3.2) plt.tight_layout() fig.canvas.draw() image_rgba = np.asarray(fig.canvas.buffer_rgba()) frames.append(Image.fromarray(image_rgba)) plt.close(fig) if (f_idx + 1) % 15 == 0: print(f" -> Frame {f_idx + 1}/{N_frames} concluído...") out_gif = os.path.join(DIR_OUTPUT, "mtl_3d_power_beat_propagation.gif") out_png = os.path.join(DIR_OUTPUT, "mtl_3d_power_snapshot_mid.png") frames[0].save(out_gif, save_all=True, append_images=frames[1:], duration=75, loop=0) frames[len(frames)//2].save(out_png) print(f"✔ Animação 3D e snapshots gerados com sucesso:") print(f" -> GIF: {out_gif}") print(f" -> PNG: {out_png}") print("="*80) if __name__ == "__main__": main()