Исследование структур для формирования запрещенной зоны в СВЧ-диапазоне

Bridget Paulus 16/05/2018
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

Благодаря способности «глушить» определенные частоты структуры, формирующие запрещенные зоны в СВЧ-диапазоне, находят все большее применение во многих областях науки и техники. В частности такие компоненты могут подавлять нежелательные радиопомехи (EMI) и повышать электромагнитную совместимость (EMC). Их часто размещают между соседними антеннами, при этом сводится к минимуму нежелательное взаимодействие и, следовательно, улучшаются рабочие характеристики излучателей и приемников. Однако формирование запрещенной зоны в СВЧ-диапазоне не всегда гарантирует улучшение развязки антенн. Для анализа эффективности таких систем инженеры могут воспользоваться пакетом COMSOL Multiphysics® с модулем расширения Радиочастоты (RF).

Проектирование запрещенных зон для оптимизации частотных характеристик

Структуры, формирующие запрещенные зоны в СВЧ-диапазоне, представляют собой периодические решетки, пропускающие или задерживающие электромагнитные волны в определенных частотных диапазонах. В качестве примеров можно привести улучшение изоляции между антенными СВЧ-решетками, увеличение соотношения сигнал-шум в высокоточных GPS-устройствах и формирование полосы подавления для сверширокополосных приборов. Аналогично частотно-селективным поверхностям запрещенные зоны позволяют устранить ряд проблем, связанных с радиопомехами, и повысить электромагнитную совместимость в высокоскоростных системах связи. Кроме того, экранирующие свойства, присущее этим структурам, теоретически можно использовать для снижения удельной мощности поглощения (SAR) излучения от мобильных телефонов человеческим мозгом.

Модель расчета удельного коэффициента поглощения (SAR) человеческой головы с визуализацией градиеннта температуры.
Удельная мощность поглощения SAR (поверхность) и разпределение температуры (контур).

Электромагнитная модель частотно-селективной поверхности.
Частотно-селективная поверхность с комплементарными двойными кольцевыми резонаторами.

Стандартный процесс проектирования структур, способных формировать запрещенную зону, включает в себя следующие этапы:

  1. Проектирование структуры на уровне элементарной ячейки
  2. Обобщение на случай бесконечной периодической структуры
  3. Проведение расчета и анализа х-к запрещенной зоны
  4. Оптимизация конструкции для получения запрещенной зоны в бесконечном пространстве
  5. Использование электромагнитной структуры для формирования запрещенной зоны в ограниченном (конечном) пространстве

Однако при использовании этого подхода имеется проблема: Свойства электромагнитных структур с запрещенной зоной немного отличаются в конечном пространстве по сравнению с бесконечным. Поскольку использование неподходящей частоты, поляризации или конфигурации подложки может усилить нежелательную связь между антеннами, важно исследовать электромагнитные структуры с запрещенной зоной именно в реальном конечном пространстве.

Анализ эффекта развязки антенн за счет структуры, формирующей запрещенную зону

Исследовать структуры для формирования запрещенной зоны в СВЧ-диапазоне можно с помощью модуля Радиочастоты пакета COMSOL Multiphysics. Сначала полезно смоделировать антенны без дополнительных элементов рзвязки, так как это определяет исходный уровень для оценки работы структуры, формирующей запрещенную зону. Электромагнитные структуры с запрещенной зоной обычно располагаются между антенными решетками, однако здесь для простоты излучения и демонстрации показаны только две одиночные антенны. Антенны состоят из металлических полос, запитанных от коаксиального кабеля и установленных между диэлектрической подложкой и заземляющей плоскостью. Хотя конструкции данных антенн не совсем стандартные, с их помощью можно выявить эффективность развязки за счет структуры с запрещенной зоной.

Геометрия структуры, формирующей запрещенную зону в СВЧ-диапазоне
Геометрия структуры, формирующей запрещенную зону в СВЧ-диапазоне

После расчета модели, содержащей только антенны, следует добавить структуру с запрещенной зоной. Структура, запрещенная зона которой имеет центральную частоту около 1,85 Гц, состоит из небольших металлических элементов грибообразной формы. Один ряд этих «грибов» располагается между антеннами. Обратите внимание на то, что в модели проводится расчет для диапазона частот в окрестности запрещенной зоны для визуализации изменения S21-параметра, который описывает взаимосвязь между двумя портами, подключенными к концам коаксиальных кабелей. Наблюдение за изменением S-параметров позволит измерить изоляцию приемной антенны от возбужденной излучающей антенны.

Анализ результатов моделирования антенной системы с учетом сформированной запрещенной зоны

В начале представлена частотная характеристика, отражающая связь между двумя антеннами. Как показано ниже, развязка антенн, на основе графика S21, намного лучше при добавлении рассматриваемой структуры с запрещенной зоной. Хотя запрещенная зона (2,2 Гц) не полностью соответствует частоте, определенной в ходе анализа (1,85 Гц), это, скорее всего, объясняется тем, что используется всего один ряд компонентов.

График частотной характеристики взаимосвязи антенн при наличии и отсутствии электромагнитной структуры с запрещенной зоной.
Частотная характеристика, отражающая взаимосвязь между антеннами, при наличии и отсутствии структуры, формирующей запрещенную зону.

Там, где она присутствует, взаимодействие в некоторых областях частотного диапазона в действительности получается даже более выраженным, а диапазон развязки не такой широкий. Центральная чистота и диапазон развязки зависят от конфигурации подложки с учетом поляризации и количества элементов структуры с запрещенной зоной, поэтому, как видно из данного примера, добавление запрещенной зоны не всегда улучшает изоляцию в желаемом диапазоне.

Визуализация электрического поля вокруг антенн при наличии электромагнитной структуры с запрещенной зоной.
Визуализация электрического поля вокруг антенн без дополнительных компонентов.

Электрическое поле вокруг антенн при наличии (слева) и отсутствии (справа) структуры с запрещенной зоной.

СВЧ расчеты позволят инженерам получить ценные сведения об эффективности электромагнитной структуры в отношении подавления поверхностных волн и развязки антенн. С помощью этой информации они затем могут оптимизировать конструкцию этой структуры для каждой конкретной прикладной задачи.

Дальнейшие шаги

Хотите сами протестировать данную модель? Нажмите на кнопку ниже, чтобы перейти в Библиотеку моделей и приложений, в которой вы также сможете найти пошаговую инструкцию по сборке этого примера. При наличии действующей лицензии на программное обеспечение и учетной записи COMSOL Access вы сможете также загрузить сам MPH-файл.

Дополнительная информация


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Вычислительная гидродинамика Модуль Геометрическая оптика Модуль Динамика многих тел Модуль Композитные материалы Модуль Коррозия Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Полупроводники Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Теплопередача Модуль Течение в трубопроводах Модуль Химические реакции Модуль Электрохимия Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению физика спорта