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RF 高頻電磁模擬模組 (RF Module) 可協助您透過研究高頻應用中的電磁波傳播和共振效應等影響來優化設計。使用 RF 高頻電磁模擬模組來理解和預測 RF、微波和毫米波產業中使用的裝置的性能。

 

RF 和微波裝置的設計師需要確保基於電磁學的產品是可靠和穩健的。傳統的電磁學模擬讓您單獨檢查電磁波效應，但沒有真實世界的產品在理想的操作條件下運作。為了了解其他物理現象如何影響設計，您需要多物理場模擬，這允許您將分析擴展到包括溫度升高和結構變形等效應。

 

通過將 RF 高頻電磁模擬模組添加到 COMSOL Multiphysics® 模擬平台，您可以在相同的軟體環境中分析 RF 設計的理想或多物理場情境，包括微波和 RF 加熱。

使用 RF 高頻模組為當下和未來設計

在無線設備的快速發展行業中，電磁波分析在產品開發中被用來跟上技術進步。例如，天線和 RF 高頻前端，包括濾波器、耦合器、功率分配器和阻抗匹配電路，應該與未來的發展相容，如 5G MIMO 網路、物聯網 (IoT) 和衛星通信 (SatCom)。

 

使用分析軟體評估無線通訊平臺中的 RF 高頻干擾和相容性對於您的產品無縫運行也很重要，以開發應用，包括可穿戴設備、自動駕駛汽車和最先進的微波和 RF 高頻產品。

高頻電磁學分析和求解器 (High-Frequency Electromagnetics Analyses and Solvers)

RF 高頻模組在標準高頻電磁學分析中大量依賴於經過驗證的有限元方法 (FEM, Finite Element Method)，並且還包括特定類型分析的替代方法和求解器。RF 高頻模組內置的預設求解器幫助您確信您的分析是正確的，並且設計得到了可靠數值解的支持。FEM 用於頻率域 (frequency-domain) 和暫態 (transient) 分析，使用適應 CAD 表面曲率的一階、二階或三階向量/邊元素 (vector/edge elements)。有四面體、六面體、棱柱和金字塔網格元素，以及自動和自適應網格劃分 (automatic and adaptive meshing)。

 

對於頻率域分析，您可以透過頻率掃描計算共振頻率、S-參數、近/遠場、品質因數 (Q factors)、傳播常數和天線特性。計算效率可以通過使用模型降階技術 (MOR, Model Order Reduction) 如模態法 (modal method) 和基於漸近波形評估 (AWE, Asymptotic Waveform Evaluation) 方法的自適應頻率掃描來提高。對於暫態分析，您可以模擬非線性材料、信號傳播和回傳時間、非常寬頻的行為和時域反射計 (TDR, Time-Domain Reflectometry)。

 

額外的方法和分析可用於傳輸線方程 (transmission line equations)、顯式時域 (explicit time domain)、使用網表 (netlist) 的電路建模、漸近散射 (asymptotic scattering) 和邊界元素法 (BEM, Boundary Element Method)。

RF 高頻電磁模擬模組支援的建模物件

使用 COMSOL軟體執行各種射頻分析。


天線模擬和天線陣列模擬

計算天線陣列的反射功率、遠場輻射和增益模式。

傳輸線和波導

分析微帶線、共面波導（CPW）和基片集成波導（SIW）。


耦合器和功分器

計算 S 參數，用於分析耦合器和功分器的匹配、隔離和耦合性能。

EMI/EMC 應用

分析電磁干擾（EMI）和電磁相容性（EMC），包括串擾和隔離。


亞鐵磁性設備

在微波元件中加入磁性材料，例如鐵氧體諧振器和環行器。

濾波器

分析微帶、CPW 和腔體濾波器的性能，包括熱、結構和其他物理現象。


微波爐

將全波電磁分析與暫態熱傳模擬相結合。

生物醫學和 MRI

類比微波治療以及 MRI 與植入裝置的相互作用。


散射和雷達散射截面

使用全波和漸近方法計算雷達散射截面（RCS）和一般散射場。

頻率選擇表面

類比頻率選擇表面和一般週期結構的透射、反射和繞射。

高頻和微波加熱

微波加熱在食品加工、醫療技術中都起著非常重要的作用，在移動設備中也受到相當大的關注。最新的 5G 元件會產生比前幾代設備更多的熱量，這使得熱管理變得前所未有的重要。“RF 高頻電磁模擬模組”具有完全整合的電磁熱和熱傳功能，能夠處理熱傳導和對流，以及與溫度相關的材料資料。與結構力學模組或 MEMS 模組結合使用時，還可以計算熱變形和應力。通過添加熱傳模組，您可以在模型中進一步包含熱輻射的影響。


天線模擬和輻射模擬

透過使用專門的遠場分析在輻射元件（如天線或天線陣列）近場解的基礎上計算得到的輻射方向圖，您可以根據圖示的方向性和增益來方便地表徵這些元件的性能。在天線饋源上使用埠條件（用於計算 S 參數），可以很容易地獲得與天線輸入匹配的屬性。

如果輻射裝置具有圓柱對稱性，二維軸對稱分析選項可以使計算速度提高多個數量級。

如果進行顯式建模，天線陣列分析對計算資源的要求很高。為了對天線陣列的性能進行快速可行性研究，您可以使用天線陣列因數功能來簡化模擬，節省寶貴的計算時間。

對於散射模擬，您可以使用專門的散射場公式將入射波指定為背景場，包括高斯波束、線偏振平面波和用戶定義的場。

引入完美匹配層（PML）能夠在廣泛的頻率和入射角範圍內吸收出射輻射。

RF 高頻電磁模擬模組的特徵和功能

請閱讀以下各部分內容，詳細瞭解“RF 高頻電磁模擬模組”的特徵和功能。


內置使用者介面

“RF 高頻電磁模擬模組”為上述所有分析類型提供內置的使用者介面，其中可以定義域方程、邊界條件、初始條件、預定義的網格、帶求解器設置的預定義研究，以及預定義的繪圖和派生值。所有這些步驟都可以在 COMSOL Multiphysics® 環境中執行。

可供使用的邊界條件都與建模的微波元件相對應。“零件庫”可以説明您構建器件的幾何形狀。軟體會自動處理網格劃分和求解器設置，並提供多個手動編輯選項。

邊界條件

為了進行準確的高頻電磁建模，您需要使用大量的邊界條件選項，例如用於描述金屬邊界。

“RF 高頻電磁模擬模組”提供以下可供使用的邊界條件：

  • 理想電導體和磁導體（PEC 和 PMC）

  • 阻抗（有限電導率）

  • 過渡（有損薄金屬板和多層）

  • 週期（Floquet）

  • 吸收邊界

  • 電容、電感和電阻集總元件

  • 埠

    • 矩形和圓形波導

    • 同軸電纜

    • 數值（與任意形狀匹配的模式）

    • 橫電磁（TEM）

    • 集總

    • 帶有 Touchstone 檔的二埠和三埠網路系統


CAD 導入和零件庫

通過添加 CAD 載入模組，您可以導入各種行業標準的 CAD 格式用於射頻分析。導入選項包含修復功能，您可以去除幾何特徵以準備對幾何進行網格劃分和分析。設計模組不僅包含這些特徵，還支援更多的三維 CAD 操作，包括放樣、倒圓角、倒斜角、抽取中面和加厚。

當您直接在 COMSOL Multiphysics® 中構建幾何時，可以使用“RF 高頻電磁模擬模組”內置的“零件庫”，其中包含射頻模擬常用的各種複雜形狀：連接器、表面貼裝器件和波導。這些零件可以用作參數化幾何模型，許多射頻零件都包含傳導邊界選擇，方便您在設置分析時應用 PEC 邊界條件。

材料屬性

“RF 高頻電磁模擬模組”包含一個具有基板材料屬性的庫，有助於對射頻、微波和毫米波電路板以及非線性磁性材料進行建模。RF 材料庫包含以下公司產品的材料屬性資料：

  • 羅傑斯公司

  • Isola Group

  • 普立萬公司

對於高級建模，您可以通過指定非均勻、各向異性、非線性和色散材料的屬性來定制材料。所有屬性都可以在空間上變化且不連續。此外，您還可以定義相對介電常數和磁導率。對於有損材料，您可以使用複值屬性、電導率或損耗角正切。對於表現出色散的材料，可以使用預置的兩種模型：Drude-Lorentz 和德拜。對於涉及磁性材料的更高級分析，您可以指定非線性磁性特性。


頻率和時間域變換 (Frequency- and Time-Domain Transformations)

雖然暫態分析對於處理信號完整性 (SI) 問題的時域反射測量 (TDR) 很有用，但許多 RF 和微波示例使用生成 S-參數的頻域模擬來解決。通過在傳統頻域研究後進行頻率到時間的快速傅立葉變換 (FFT)，TDR 分析是可行的。這種分析有助於通過研究時間域中的信號波動來識別傳輸線上的物理不連續性和阻抗不匹配。

執行寬頻頻率掃描並使用小的頻率步長可能是一項耗時且繁瑣的任務。通過執行暫態模擬和時間到頻率 FFT，可以獲得寬頻天線研究，例如 S-參數和/或遠場輻射模式分析。



資料視覺化和提取

使用預定義的電場和磁場、S 參數、功率流、耗散、遠場輻射方向圖和史密斯圖等繪圖顯示模擬結果。您可以將 S 參數匯出為 Touchstone 檔案格式；此外，也可以將結果顯示為自由定義的物理量運算式，或以表格形式顯示通過模擬得到的派生值。



多物理場分析

為了類比真實世界的現象，COMSOL Multiphysics®、“RF 高頻電磁模擬模組”和其他附加產品支援各種多物理場分析。熱分析和應力變形是濾波器設計的重要考慮因素。例如，腔體濾波器通常由電介質材料和金屬材料製成，金屬的電導率隨溫度而變化，從而影響器件的損耗及散發的熱量。這種熱損耗會導致溫度升高，而溫度變化會使材料膨脹或收縮。因此，當腔體濾波器承受高功率載荷或極端熱環境時，可能會發生帶通漂移。多物理場分析將説明您在器件優化過程中考慮此類影響。

週期性結構

週期性結構是許多工程電磁結構的基礎，常用於新型 5G 硬體、亞波長成像和先進雷達技術等應用。在“RF 高頻電磁模擬模組”中，您可以使用 Floquet 週期條件和不同的衍射級對這些結構（包括它們的高階衍射模式）進行建模，從而精確的設計反射和透射陣天線以及全息表面的元件。

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 Multiphysics ®軟體是否能符合您的需求，請您與我們聯繫！

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