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COMSOL Multiphysics® 5.3 版本針對RF模組的用戶引入了用於模擬RF設備的元件庫(Part Library)、新增了集總元件邊界條件的擴展選項以及用於暫態模擬的S參數計算。請閱讀以下內容,進一步了解RF模組的更新詳情。

 

新的RF元件庫

RF模組現在引入了由許多標準零件或幾何組成的“元件庫”,這些零件或幾何有助於對大型 RF設備中的 RF組件進行建模。元件庫中的每個零件都具有可控參數和預定義的選項,用戶可根據需要更改其幾何配置、RF設備設計、幾何相關材料屬性以及求解器設置。

 

RF零件包括:

l   36 個矩形波導(包括直線類型、90 度彎曲類型以及H型彎曲類型)

l   22 個表面黏著元件封裝

l   3 SMA連接器(4孔、2孔及垂直安裝)

A model featuring two SMA connectors from the RF Part Library in COMSOL software version 5.3.

通過50歐姆彎折型微帶線連接的兩個 SMA連接器(4孔且垂直安裝)

 

具有擴展選項的增強型集總元件特徵

集總元件 邊界條件已通過其設定視窗中集總元件設備欄的附加選項得到了改進。在新版本中,用戶不僅可以將單個集總元件(電感器(L)、電容器(C)、電阻器(R) 或複數阻抗(Z))配置為設備邊界條件,還可以組合涉及集總元件參數的多個元件,例如,串聯LC、並聯LC、串聯RLC 或併聯RLC 集總元件。

 

有關使用新的集總元件選項的案例,請搜尋以下“案例庫”路徑:

RF_Module/Filters/lumped_element_filter

 

使用Touchstone檔案載入的進階二埠網絡建模

Touchstone檔案根據S參數描述 n埠網絡電路的頻率響應。通過數值模擬或網絡分析器測量獲得的Touchstone檔案可以透過二埠網絡邊界條件包含在COMSOL Multiphysics® 模擬中,在二埠網絡設定視窗中選擇Touchstone檔案作為S參數定義的類型即可實現,無需構建複雜的電路形狀。

 

有關使用 Touchstone檔案導入特徵的案例,請搜尋以下“案例庫”路徑:

RF_Module/Filters/two_port_network_touchstone

 

表面磁流密度

新的表面磁流密度(Surface Magnetic Current Density)邊界條件已添加到電磁波,頻域介面,並指定了外部和內部邊界的表面磁流密度。通常,磁流密度通過三維向量描述。不過,由於磁流密度沿表面流動,為實現更高效的建模,可以透過其他方式對其進行描述。為此,COMSOL Multiphysics® 軟體將磁流密度投影到一個邊界表面上,而忽略其法向分量。此版本中提供的這一新邊界條件可用於模擬電偶極子等特殊的模擬情況。

An example of a model using the Surface Magnetic Current Density boundary condition.

使用電磁波,頻域介面中 表面磁流密度邊界條件的情況下,圓柱形線圈上的表面磁流密度(藍色箭頭)。電場圖(錐形)類似於短偶極天線

 

暫態模擬計算S參數

用戶現在可以透過兩步驟時域分析來計算電路的頻域 S參數,這對於計算頻率解析度較高的寬帶頻率響應很有用。首先使用暫態物理場介面構建模型,然後對其結果進行時頻快速傅立葉變換 (FFT)來計算S參數。

 

實際操作時,您可以使用電磁波,暫態介面,透過集總埠引入暫態研究步驟,然後使用時域到頻域FFT研究步驟,對第一個研究步驟所得結果的進行快速傅立葉變換。

 

有關使用時域到頻域 FFT從暫態模擬計算 S參數的案例,請搜尋以下“案例庫”路徑:

RF_Module/Filters/coaxial_low_pass_filter_transient

 

教學模型更新:使用集總元件的低通濾波器

如果設備的工作頻率和集總元件的插入損耗都較低,則可以使用集總元件特徵來設計被動元件。該案例模擬與集總埠類似的兩種類型的集總元件濾波器,不同之處在於它們是嚴格無源的,並且具有預定義的電感和電容選擇。

 

案例中首先計算了包含五個元件的最大平坦低通濾波器的頻率響應,來展示其在預計頻率的截止。每個元件(表面黏著元件,SMD)的幾何結構都簡化為二維邊界,並且使用電磁波,頻域介面中的集總元件邊界條件對電性能進行建模。然後,在相同頻率範圍內模擬從低通濾波器設計變換的帶通濾波器。兩個濾波器模型都計算了S參數和電場分佈。

An annotated model of SMD inductors, created with the RF Module.

0402 表面黏著元件 (SMD) 電​​感器和電容器使用二維邊界上的集總元件特徵進行建模

 

如需集總元件低通濾波器教學模型,請搜尋以下“案例庫”路徑:

RF_Module/Filters/lumped_element_filter

 

新教學模型:吸波暗室吸收電磁波

吸波暗室用於測量天線特性、電磁干擾(EMI) 和電磁兼容性(EMC),其內部有吸收器,在吸收器上配置有金字塔形對象陣列,可將傳播的入射場引導至相鄰的吸收器。通過吸收吸波暗室內的電磁波並阻止來自外部的輸入訊號,將產生一個幾乎沒有內部反射的虛擬無限空間,而且不會受到任何不希望的外部 RF噪聲的影響。

 

該模型模擬通常用於EMIEMC測試的雙錐形天線,它位於小型吸波暗室的中心。計算出的遠場輻射圖和 S 參數 (S11) 表明,微波吸收器可以顯著減少壁反射,但不會影響天線性能。

An anechoic chamber absorbing electromagnetic waves, new with COMSOL Multiphysics version 5.3.

在一個小房間 (3.9x3.9x3.3 m) 內構建的最先進的吸波暗室,由薄導電壁上的微波吸收器組成。顯示 ZX平面上電場分佈的等位圖。電場在吸收器附近明顯衰減

 

如需吸波暗室教學模型,請搜尋以下“案例下載”連結:

RF_Module/EMI_EMC_Applications/anechoic_chamber

 

新教學模型:雙脊喇叭天線

由於其在寬帶頻率範圍內的可靠性能,雙脊喇叭天線在吸波暗室中廣泛用於表徵被測天線 (AUT),從 S波段到Ku波段。該教學模型模擬雙脊喇叭天線,並計算電壓駐波比 (VSWR)、遠場輻射圖和天線方向性。

 

案例中,集總埠被分配在同軸連接器末端內導電表面與外導電表面之間的邊界上。空氣域的最外層配置為完美匹配層 (PML),模擬真實的全寂室中會發生的來自天線的所有輸出輻射的吸收。網格由電磁波,頻域介面基於每個模擬頻率動態地控制。

A COMSOL tutorial model of a double-ridged horn antenna.

由同軸埠激發的雙脊喇叭天線。該圖像顯示三維遠場輻射圖(熱色圖)、電場方向(箭頭圖)及其在光圈和脊上的強度(彩虹圖)

 

如需雙脊喇叭天線教學模型,請搜尋以下“案例庫”路徑:

RF_Module/Antennas/double_ridged_horn_antenna

 

新教學模型:傳輸線低通濾波器的快速建模

設計濾波器的一種方法是使用眾所周知的濾波器原型(例如,最大平坦或等波紋低通濾波器)的元素值。由於很難找到與濾波器原型的頻標元素值完全匹配的現成的電容器和電感器,在微波基板上製造分佈式元件濾波器比集總元件濾波器常常更為容易。

 

該教學模型展示使用理查德變換、科羅達等效以及傳輸線介面設計分佈式元件濾波器的過程。與在三維中求解馬克斯威爾方程相比,這種方法非常快。該模型模擬在 4 GHz 時具有截止頻率的三元件 0.5 dB 等波紋低通濾波器。得到的 S 參數圖顯示低通頻率響應,這在較高頻率範圍內也能定期觀察到。

 

如需“傳輸線低通濾波器”快速建模的教學模型,請搜尋以下“案例庫”路徑:

RF_Module/Filters/transmission_line_lpf

 

新教學模型:傳輸線Wilkinson功率分配器的快速建模

一些傳統的三埠功率分配器是電阻功率分配器和 T 形功率分配器。這種分配器都是有損耗的,或者並非與所有埠的系統參考阻抗都匹配。此外,不能保證兩個耦合埠之間的隔離。Wilkinson功率分配器優於無損 T 形分配器和電阻分配器,而且不存在上述問題。

 

該案例模型使用二維中的傳輸線介面模擬Wilkinson功率分配器。與在三維中求解馬克斯威爾方程相比,這種方法非常快。結果顯示從 1 GHz 5 GHz S參數,以及沿傳輸線的電位分佈。

A plot from the Fast Modeling of a Transmission Line Wilkinson Power Divider tutorial model.

當埠 1 受激發時,埠 2與埠 3之間的輸入電壓均勻分佈 (-3 dB)

 

如需Wilkinson功率分配器教學模型,請搜尋以下“案例庫”路徑:

RF_Module/Couplers_and_Power_Dividers/transmission_line_wpd

 

新教學模型:巴特勒矩陣波束成形網絡的快速原型設計

巴特勒矩陣是一種無源波束成形饋電網絡。對於相控陣天線來說,這是一種極具成本效益的饋電網絡,因為電路可以以微帶線形式製造,並且是可在不部署昂貴的主動元件的情況下執行波束掃描的一個可行解決方案。

 

該案例展示如何使用傳輸線介面設計這樣一個電路。結果顯示巴特勒矩陣波束成形電路在 30 GHz 時的對數電壓,以及每個輸出埠處的算術相位級數。

Port 5 Port 6 Port 7 Port 8 Phase Progression

Port 1 excited

-90° -135° -180° 135° -45°

Port 2 excited

-180° -45° 90° -135° +135°

Port 2 excited

-135° 90° -45° -180° -135°

Port 4 excited

135° -180° -135° -90° +45°
A collage of four views of a microstrip patch antenna array model with different ports excited.

連接到巴特勒矩陣波束成形網絡的 4x1微帶平板天線陣列的三維遠場輻射圖。該圖像按相位級數排序(由負到正)。此案例中不包含天線模型


如需巴特勒矩陣波束成形網絡教學模型,請搜尋以下“案例庫”路徑:

RF_Module/Couplers_and_Power_Dividers/transmission_line_butler

 

新教學模型:同軸低通濾波器的時頻快速傅立葉變換

在該案例模型中,為了實現低通頻率響應,填充空氣的同軸電纜調諧成五個環形圈(虹膜),並添加到導體外壁,模擬一個二維軸對稱、相對寬帶同軸低通濾波器。為了以細化頻率解析度解決寬帶頻率響應,該模型首先通過暫態物理場介面構建,然後使用時域到頻域FFT計算S參數。計算得出的S參數顯示低通頻率響應,截止頻率約為 24.5 GHz


A model of a coaxial low-pass filter, created with COMSOL Multiphysics and the RF Module.

電場模分佈的等位圖和 10 GHz 時的時均功率流箭頭圖

 

如需同軸低通濾波器的FFT教學模型,請搜尋以下“案例庫”路徑:

RF_Module/Filters/coaxial_low_pass_filter_transient

 

新教學模型:經Touchstone檔案導入S參數的濾波器

Touchstone檔案根據S參數描述n埠網絡電路的頻率響應,可以用於簡化任意複雜的電路。Touchstone檔案可以透過數值模擬或網絡分析器測量獲得,所得的二埠網絡的檔案隨後可以包含在模擬中,而無需構建複雜的電路形狀。

 

在該案例中,使用二埠網絡特徵和經Touchstone檔案導入的S參數對兩個同軸連接器之間的低通濾波器建模。結果包含同軸連接器內的電場分佈和S參數。

An illustration of characterizing a filter via a Touchstone file instead of including the circuit geometry.

藍色框內的電路幾何不包含在模型中,其特徵在於 Touchstone檔案

 

如需經Touchstone檔案導入的 S參數教學模型,請搜尋以下“案例庫”路徑:

RF_Module/Filters/two_port_network_touchstone

 

新教學模型:利用時域反射法進行高速互聯調優

在訊號完整性 (SI) 應用中,時域反射法 (TDR) 是一項有用的技術,可通過觀察反射訊號強度來分析訊號路徑中的不連續性。如果沒有外部噪音源、串擾或不需要的耦合,反射訊號對輸入脈衝的影響主要來自於阻抗失配。

 

在本例中,在經金屬通孔分層連接的微帶線上輸入一個迅速啟動的步階函數。標識訊號路徑不連續性,並根據TDR阻抗計算調整電路以降低失真程度。

A model of two microstrip lines connected with a metalized via hole.

多層電路板上的微帶線,其中每個介電層都使用 20-mil微波基板。具有防爆墊的接地平面位於兩個介電層之間。頂部和底部微帶線通過金屬化通孔連接。移除了頂部電介質表面和接地平面以提供更好的視圖

View screenshot 

如需時域反射法教學模型,請搜尋以下“案例庫”路徑:

RF_Module/EMI_EMC_Applications/high_speed_interconnect_tdr

 

新的遠場後處理變數

新版本中新增了後處理變數,來計算遠場輻射圖。之前版本中的增益變數現在由增益和實際增益通過輸入阻抗不匹配因數來說明。這些後處理變數可用於遠場圖中來實現天線特性的可視化。

 

EIRPEIRPdB:有效全向輻射功率及其dB比例值。

gainEfargaindBEfar:不包含輸入不匹配的增益及其dB比例值

rGainEfarrGaindBEfar:實現的增益包括輸入不匹配及其dB比例值

 

如需新的遠場後處理變數,請搜尋以下“案例庫”路徑:

RF_Module/Antennas/double_ridged_horn_antenna

 

新增預設設置用於增強可用性

許多預設設置已更新,以減少建模步驟並增強可用性:

l   針對電磁波,頻域介面啟用了物理場控製網格

l   網格從電磁波,頻域介面中自動提供的研究步驟中讀取頻率或波長

l   電磁波,頻域介面的求解器設置由強健性(Robust)變為快速(Fast

l   三維遠場圖中的角坐標解析度更細化 (theta 45, phi 45)

l   現在對第一個埠啟用自動激發

l   GHz現在是頻域、頻域模態和特徵頻率研究步驟的新的預設頻率單位

l   對於頻域模態分析,圍繞偏移量的特徵頻率搜索方法現在設為更大的實部

l   Linper運算子在內部用於激發的集總埠,不再需要由用戶指定用於頻域模態分析

l   GHz現在是S參數圖以及更簡化的S參數描述的預設單位

 

更新的教學模型使用約化階數建模技術

頻域模態研究步驟的使用已擴展到集總埠和各埠中,從而不需要手動輸入有關激發埠電壓的 linper 運算子。現有的“案例庫”案例中已實現了兩種強大的模擬方法(漸近波形計算(Asymptotic Waveform)和頻域模態方法),用於設計帶通濾波器類型的高品質設備。與傳統的頻率掃描方法相比,使用這兩種方法計算的速度快了幾個數量級,而且頻率解析度更高。

 

A plot from the Waveguide Iris Bandpass Filter tutorial, new with COMSOL software version 5.3.

採用頻域模態時頻率解析度的細化程度是採用離散頻率掃描的六倍,模擬時間比採用相同的濾波器快了四倍。該圖片來自波導虹膜帶通濾波器教學模型

 

有關使用漸近波形計算方法的案例,請搜尋以下“案例庫”路徑:

RF_Module/Filters/cylindrical_cavity_filter_evanescent

RF_Module/Passive_devices/rf_coil

 

有關使用頻域模態方法的案例,請搜尋以下“案例庫”路徑:

RF_Module/Filters/cascaded_cavity_filter

RF_Module/Filters/coupled_line_filter

RF_Module/Filters/cpw_bandpass_filter

RF_Module/Filters/waveguide_iris_filter