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RF 模組助力射頻、微波和毫米波設計

 

RF 建模軟體用於優化電磁設備

 

射頻和微波器件的設計人員需要確保電磁模擬的可靠性和穩定性。在傳統的電磁建模過程中,您可以單獨分析射頻物理場,然而,實際產品的運行不可能只涉及一個物理分支。要研究其他物理現像對產品設計的影響,便離不開多物理場建模,這種建模技術可以對模型進行擴展,在其中包含溫升、結構變形和流體流動等多種效應。在COMSOL Multiphysics ®模擬平台加入“RF模組”進行功能擴展後,您可以在多物理場環境下分析包括微波和射頻加熱在內的各種射頻設計,實現在一個軟體平台中模擬所有物理現象。

 

RF 模組使設計滿足當前和未來發展

 

任何產品、元器件都在不停地更新換代。借助“RF 模組”,您可以研究電磁波傳播、微波加熱以及射頻加熱等各種效應,從而不斷優化設計- 確保創造最佳產品,在行業中遙遙領先。

在快速發展的射頻、微波和毫米波行業,產品開發離不開技術的進步,二者緊密相關。舉例來說,包括濾波器、耦合器、功分器和阻抗匹配電路在內的天線和射頻前端都應適應未來的發展,比如5G MIMO 網絡、物聯網(IoT)和衛星通訊(SatCom)等等。

不僅如此,評估無線通信平台中的射頻干擾和兼容性也很重要,產品在具備這些功能後,可無縫對接到可穿戴設備、無人駕駛汽車以及最先進的微波和RF 產品等各類應用的開發中。

在這個高速發展、瞬息萬變的時代,借助COMSOL ®軟體,您的組織可以時刻為新技術的到來敞開大門。


RF 模組帶來的優勢

 

當您加入“RF模組COMSOL Multiphysics ®進行功能擴展後,除了可以存取COMSOL Multiphysics ®軟體平台的核心功能外,還能夠訪問專用於射頻和微波建模的各種特徵。

 

RF 模組提供的工具可用於模擬:

u  天線Antennas

u  遠場輻射方向圖Far-field radiation patterns

u  天線增益和方向性Antenna gain and directivity

u  S 參數S-parameters

u  輸入阻抗Input impedance

u  相控陣Phased arrays

u  電路Circuits

u  射頻識別(RFID

u  生物醫療器械Biomedical devices

u  微波燒結和微波波譜學Microwave sintering and spectroscopy

u  帶通濾波器類器件Bandpass-filter type devices

u  超材料與整合表面等離激元Metamaterials and integrated plasmonics

u  奈米結構Nanostructures

u  毫米波與太赫茲輻射Millimeter-wave and terahertz radiation

u  諧振器和濾波器Resonators and filters

u  耦合器與功率分配器Couplers and power dividers

u  亞鐵磁性設備Ferrimagnetic devices

u  近場通信Near-field communication

u  Bloch-Floquet 週期性陣列和結構Bloch-Floquet periodic arrays and structures

u  SAR 計算SAR calculations

u  微波爐Microwave ovens

u  散射與交叉輻射Scattering and cross radiation

u  傳輸線Transmission lines

u  微帶Microstrips

u  共面波導Coplanar waveguides

u  基片整合波導(SIWSubstrate integrated waveguides (SIW)

u  頻率可調設備Frequency tunable devices

u  RF MEMS

u  EMI/EMC


多物理場耦合

 

RF 模組包含:

 

u  電磁熱

u  溫度相關的材料屬性

u  電磁場相關的材料屬性

u  應變/應力相關的材料屬性與變形幾何

 

與其他模組結合時包含:

 

u  生物加熱和生物醫學治療,如微波消融和毫米波癌組織診斷等

u  熱應力和機械變形造成的性能影響

u  磁場偏置鐵氧體

u  壓電驅動的可調濾波器

u  微波等離子體

u  介電泳

u  輻射熱損耗

用於研究傳輸線巴特勒矩陣波束成型網絡的COMSOL 模型。
用於研究消聲室中微波吸收的COMSOL 模型。
使用COMSOL Multiphysics 基本模塊和“RF 模塊”創建的頻率選擇表面優化模型。
使用COMSOL Multiphysics 基本模塊和“RF 模塊”創建的頻率選擇表面(FSS)模型的S 參數一維繪圖。
表示微帶貼片天線模型輻射模式的一維遠場極坐標圖。
威爾金森功率分配器COMSOL 模型。
球體雷達散射截面(RCS)的電磁學基準計算模型。
使用COMSOL Multiphysics 基本模塊和“RF 模塊”創建的頻率選擇表面(FSS)模型的S 參數一維史密斯繪圖。
使用COMSOL 軟件的“RF 模塊”進行的電磁熱建模示例。

RF 模組特點和功能

預定義的物理場介面:輕鬆模擬電磁問題

 

您可以從選擇預定義的物理場介面開始,著手射頻或微波器件設計。這些介面附帶了許多特徵和功能,可滿足各種特定的建模場景,您無需先計算出描述物理場的複雜麥克斯韋方程組,便可以建立模型。

無論您要研究的是簡單射頻器件的電磁特性,還是要與熱傳或結構力學等其他物理現象進行耦合分析,都可以根據需要在內置的綜合物理場介面中選擇合適的介面進行建模模擬。

RF 模組中基於物理場的建模介面:

 

u  電磁波,頻域

u  電磁波,時域顯式

u  電磁波,瞬態

u  傳輸線

u  電路

u  微波加熱

該COMSOL 軟件GUI 屏幕截圖顯示“RF 模塊”中提供的預定義物理場接口。

波導中的射頻加熱通過預定義的微波加熱介面進行建模;在COMSOL Multiphysics ®模擬平台上添加“RF模組後即可使用該介面。

物理場配置:定義端口、電纜、線路電流等參數

 

在電磁問題建模過程中,通常需要使用各種不同的選項對邊界條件和幾何進行設置。鑑於此,“RF 模組”提供了許多預設的幾何功能,不論您是執行一維、二維還是三維域建模,都可以使用這些功能。

您可以從各種各樣的邊界條件中選擇適當的邊界條件來描述金屬邊界(包括阻抗邊界和完全電導體與磁導體),以及描述散射邊界和完美匹配層等輻射(吸收)邊界。不僅如此,“RF模組”還支持定義週期性邊界條件,以減小模型大小。

多種多樣的邊界條件涵蓋了許多設計場景,支援模擬介面、電纜、設備及其他組件的幾何結構以及更為複雜的幾何。

 

RF模組的內置邊界條件:

 

u  表面

n  完美導電錶面

n  有限電導率

n  薄損耗邊界

u  對稱

u  週期性

u  自由空間

n  散射(吸收)邊界

n  完美匹配層(PML

u  元件

n  電容

n  電感

n  電阻

n  复阻抗

u  端口

n  矩形

n  圓形

n  週期性

n  同軸

n  用戶定義

n  數值(模式匹配)

n  集總

n  二端口網絡系統

u  電纜終端

u  線電流

u  點偶極子

 


基於方程建模:修改控制麥克斯韋方程組,完全控制整個模擬

 

想必您一定希望能夠在模擬中完全控制每一個細節!採用基於方程的建模方法,您可以直接在軟體中修改控制方程,進一步根據自己的需要來定制模型,然後執行模擬分析。

“RF  模組採用有限元法來求解電磁建模問題,尤其是頻域形式的控制麥克斯韋方程組。通過基於有限元法來修改定制方程,您可以確保得到精確的模擬結果,並據此設計出安全可靠的最終產品。

使用基於方程建模方法的另一個好處在於,您無需進行基本編碼,因此顯著提高了建模對象的靈活性,並有效縮短了模擬設置時間。

 

 

RF 模組中的基於方程建模具有高度的靈活性:

 

u  一維

n  傳輸線方程(可投射到二維或三維應用)

u  二維

n  面內、面外偏振或完整的三分量矢量

n  面外傳播

u  二維軸對稱

n  面內、面外(方位角)偏振或完整的三分量矢量

n  已知的方位角模數

u  場公式:

n  全波(全場)

n  背景波(散射場)

u  三維

n  使用矢量邊(旋度)單元的全波形式麥克斯韋方程組

n  材料屬性關係:

n  電介質

n  金屬介質

n  色散介質

n  損耗介質

n  各向異性介質

n  迴旋介質

n  混合介質

u  使用SPICE 網表的電路(無因次)建模


網格剖分:完全控製網格,幫助波長解析和域描述

 

使用“RF 模組”,您可以實現對網格的完全控制。對於在模擬過程中,材料屬性因電磁熱等因素不斷發生變化的情況,這一優勢尤為突出。

 

借助COMSOL Multiphysics ®提供的物理場控制的網格剖分功能,您可以輕鬆解析電磁現象的波長,從而得到精確的求解結果。隨後,您可以根據所需的精度水平來更改用於求解模型的網格單元數,以得到合適的分析結果。

 

您可以使用各種自動或手動網格剖分選項,對電介質域和完美匹配層(PML),以及RF 模型的周期性結構進行網格剖分。透過對網格的全面控制,您可以確保得到精確的模擬結果。

RF 模組中的網格剖分特徵:

 

u  四面體

u  三角形

u  六面體

u  棱柱

u  矩形

使用PML 和物理場控製網格特徵的EM 仿真COMSOL GUI 屏幕截圖。

汽車幾何透過物理場控制的網格剖分特徵進行網格剖分。汽車外圍是由空氣域分隔的完美匹配層,用於計算後擋風玻璃FM 天線的遠場輻射方向圖。


數值方法和研究:計算諧振、信號傳播和頻率

 

您可以使用COMSOL Multiphysics ®提供的數值方法和求解器,在不影響速度和精度的情況下計算電磁仿真背後的複雜方程。“RF模組”內置的默認求解器是研發人員經過周密考慮而精心設計的,可以確保分析結果的準確性,並通過可靠的數值解為您的設計提供支援。

無論您的模擬目標是什麼,都可以選擇適用的研究類型,並操控所有相關設置,執行特徵值、頻域和完全瞬態分析等各種分析。“RF 模組”提供多種求解方法,總有一種方法能滿足您獨特的模擬需求。

RF 模組中的數值方法:

 

u  有限元法

n  頻域

n  隱式時域

n  符合CAD 曲面曲率的一階、二階或三階矢量/邊單元

u  間斷GalerkindG),顯式時域

u  傳輸線方程,頻域

u  模型降階(MOR)技術

n  漸近波形估計(AWE)方法

n  頻域模態方法

 

RF 模組中的研究類型:

 

u  特徵頻率

n  結構的諧振頻率和Q 因子

n  波導的傳播常數和損耗

u  頻域

n  計算頻率範圍內的特性

u  完全瞬態

n  非線性材料

n  信號傳播和返回時間

n  極寬頻帶特性

n   時域反射法(TDR

該屏幕截圖顯示使用“RF 模塊”中的“頻域”研究類型的威爾金森功分器模型。

威爾金森功分器的電場模通過頻域研究類型進行建模。研究設置已針對特定頻率範圍進行配置。


後處理工具:生成頻譜、派生值等參數的可視化效果

 

您可以採用吸引眼球的方式向同事、客戶和決策者呈現您的仿真結果,包括S參數矩陣、遠場輻射方向圖和史密斯繪圖等複雜的可視化效果圖。從色彩絢麗的顏色標尺到簡單直觀的派生值繪圖,您可以透過極具感染力且易於理解的方式盡情展示您的仿真結果。無論您的模擬的是什麼,此功能都能幫助您的團隊成員參與到後續開發過程中。此外,您還可以導出可視化數據,以便在其他工具中執行進一步後處理。

 

RF 模組中的後處理特徵:

u  S 參數矩陣

u  遠場輻射方向圖

u  天線增益

u  軸比

u  用戶定義的表達式繪圖

u  派生變量和用戶定義的函數與變量

u  雷達散射截面

u  史密斯繪圖


模擬App:定制模型輸入輸出,簡化設計流程

 

研發切實可行的微波和毫米波電路、天線和超材料

 

在藉助模擬設計RF產品、器件和元件時,模擬的設計必須做到切實可行,才能確保產品在實際工作中的安全性。您可以使用COMSOL Multiphysics ®軟體和專用的附加“RF模組”來分析多種物理場對RF設計產生的影響。

一般而言,您設計的大多數射頻元器件和產品都會受到其他物理分支的影響,例如傳熱、等離子體或結構力學等物理場。為達到盡可能高的研究精度,您需要同時分析其中涉及的各種物理效應。借助COMSOL Multiphysics ®的附加“RF模組”,您可以在同一建模環境下將所有產生影響的物理效應進行耦合,從而簡化研究過程。

 

您是否還需要研究其他可能影響最終產品的特定物理領域?您可以將“RF模組”與產品套件中的任意附加模組或LiveLink™產品搭配使用,它們都能無縫整合到核心COMSOL Multiphysics ®軟體平台中。這意味著,不論您為何種應用領域或物理場建模,都可以遵循同樣的建模工作流程。

耦合了傳熱與RF 物理場的介電探針多物理場模型。

用於皮膚癌診斷的錐形介電探針模型,通過耦合傳熱與RF 物理場進行建模。二維軸對稱支持快速分析主導模式下的圓形波導,以及探針及其輻射特性。

將RF 物理場和MEMS 相耦合的可調空腔多物理場模型。

透過耦合MEMS RF 物理場模擬的可調衰減模式空腔濾波器。該模型顯示壓電執行器的結構力學如何控制空腔濾波器內部的諧振頻率。

軟體展示需求

每一間公司對於模擬的需求不盡相同,為了能有效地評估COMSOL MultiphysicsR軟體是否能符合您的需求,請您與我們聯繫!

我們的業務與技術人員將根據您的需求,提供您完整的案例並協助您進行評估,以選擇最適合您的模組。

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