Обновление модуля Радиочастоты

Пользователям модуля Радиочастоты программного пакета COMSOL Multiphysics® версии 5.3 предлагаются Библиотека частей распространенных радиочастотных компонентов, расширенные опции граничных условий для сосредоточенных элементов и расчет параметров рассеяния при моделировании переходных процессов. Подробнее ознакомиться с содержанием обновления модуля Радиочастоты можно ниже.

Новая Библиотека частей модуля Радиочастоты.

В модуле Радиочастоты теперь имеется Библиотека частей, содержащая набор стандартных частей и геометрий, которая облегчает моделирование радиочастотных компонентов и разработку сложных радиочастотных устройств. Каждая часть описывается параметрами, управляемыми пользователем, а также предварительно заданными выборками параметров, которые изменяют геометрию, конструкции радиочастотных устройств, зависящие от геометрии свойства материалов и настройки решателя.

В библиотеку включены следующие части:

  • 36 типов прямоугольных волноводов (например, прямые секции, повороты на 90 градусов, изгибы в плоскости H)
  • 22 площадки под компоненты поверхностного монтажа
  • 3 типа SMA-разъемов (монтаж в 4 отверстия, в 2 отверстия, и вертикальный)
Модель с двумя SMA-разъемами из библиотеки частей модуля Радиочастоты в программном пакете COMSOL версии 5.3. Два SMA-разъема (монтаж в 4 отверстиях и вертикальный монтаж), соединенные 50-омной меандровой микрополосковой линией. Два SMA-разъема (монтаж в 4 отверстиях и вертикальный монтаж), соединенные 50-омной меандровой микрополосковой линией.

Улучшенный инструмент Lumped Element (Сосредоточенный элемент) с расширенными настройками.

Улучшено граничное условие Lumped Element (Сосредоточенный элемент). В окне Settings (Настройки) добавлены новые опции в разделе Lumped element device (Устройство на сосредоточенных элементах). Теперь в качестве граничных условий устройства можно применять и настраивать не только одиночные сосредоточенные элементы, такие как индуктивности (L), конденсаторы (C), и комплексные импедансы (Z), но и составные компоненты, описываемые параметрами сосредоточенных элементов, такие как последовательные и параллельные LC- и RLC-цепи.


Путь к Библиотеке приложений для примера, демонстрирующего использование новых настроек сосредоточенных элементов:
RF_Module/Filters/lumped_element_filter

Расширенное моделирование четырехполюсников с применением импорта данных формата Touchstone

Файл формата Touchstone содержит описание частотного отклика многополюсника в представлении параметров рассеяния. Файл формата Touchstone с данными, полученными с помощью численного моделирования или анализатора схем, может быть подключен к моделированию в пакете COMSOL Multiphysics® через граничное условие Two-port Network (Четырехполюсник). Строить вручную модель схемы, которая может оказаться довольно сложной, при этом не требуется. Для этого в окне Settings (Настройки) граничного условия Two-Port Network (Четырехполюсник) выберите опцию Touchstone file (Файл формата Touchstone) в списке Type of S-parameter definition (Тип задания параметров рассеяния).


Путь в Библиотеке приложений, использующийся в примере, демонстрирующем импорт из файла формата Touchstone:
RF_Module/Filters/two_port_network_touchstone

Поверхностная плотность магнитного тока

В интерфейс Electromagnetic Waves, Frequency Domain (Электромагнитные волны, частотная область) добавлено новое граничное условие Surface Magnetic Current Density (Поверхностная плотность магнитного тока), определяющее поверхностную плотность магнитного тока на внешней и на внутренней границах. Плотность магнитного тока описывается трехмерным вектором. Однако, поскольку такой ток течет вдоль поверхности, можно упростить его представление для более эффективного моделирования. Для этого COMSOL Multiphysics® рассчитывает проекцию плотности тока на граничную поверхность, и пренебрегает перпендикулярной компонентой. Это новое граничное условие было введено для применения в некоторых частных случаях, таких как моделирование электрических диполей.

Пример модели с использованием граничного условия Surface Magnetic Current Density (Плотность поверхностного магнитного тока).

Плотность поверхностного магнитного тока (синие стрелки) на цилиндрической катушке с использованием граничного условия Surface Magnetic Current Density (Плотность поверхностного магнитного тока) в интерфейсе Electromagnetic Waves, Frequency Domain (Электромагнитные волны, частотная область). Распределение электрического поля (показано конусами) похоже на поле короткой дипольной антенны.

Плотность поверхностного магнитного тока (синие стрелки) на цилиндрической катушке с использованием граничного условия Surface Magnetic Current Density (Плотность поверхностного магнитного тока) в интерфейсе Electromagnetic Waves, Frequency Domain (Электромагнитные волны, частотная область). Распределение электрического поля (показано конусами) похоже на поле короткой дипольной антенны.

Вычисление параметров рассеяния при помощи моделирования переходных процессов

Параметры рассеяния схемы в частотной области теперь могут быть рассчитаны и при моделировании нестационарных процессов. Решение происходит в два этапа. Сначала строится модель с применением физического интерфейса переходных процессов, которая отлично подходит для вычисления частотного отклика в широком диапазоне с хорошим разрешением по частоте. Затем к результатам применяется быстрое преобразование Фурье в координатах «время — частота», с помощью которого вычисляются параметры рассеяния.

Чтобы сделать это, используйте порт на сосредоточенных элементах в интерфейсе Electromagnetic Waves, Transient (Электромагнитные волны, переходные процессы), включите шаги исследования Time Dependent (Нестационарные процессы) и Time to Frequency FFT (Быстрое преобразование Фурье в координатах «время — частота»), который будет использовать результаты первого шага.


Путь в Библиотеке приложений к файлам примера расчета параметров рассеяния по моделированию переходных процессов с использованием быстрого преобразования Фурье в координатах «время — частота»:
RF_Module/Filters/coaxial_low_pass_filter_transient

Улучшенная учебная модель: фильтр низких частот на сосредоточенных элементах

Пассивные устройства можно моделировать сосредоточенными компонентами, если рабочая частота устройства и потери, вносимые сосредоточенными элементами, невелики. В данном примере производится моделирование двух видов фильтров на сосредоточенных элементах. Эти модели похожи на модель портов на сосредоточенных элементах, но моделируемые устройства строго пассивны, и доступен выбор номиналов индуктивностей и конденсаторов из предустановленных значений.

В первом примере строится пятиэлементный фильтр с максимально плоской характеристикой, после чего вычисляется частотный отклик, который должен иметь желаемую граничную частоту. Геометрия каждого компонента поверхностного монтажа представляется в упрощенном двухмерном виде, и работа устройства моделируется с использованием граничного условия Lumped Element (Сосредоточенный элемент) в интерфейсе Electromagnetic Waves, Frequency Domain (Электромагнитные волны, частотная область). Затем в том же частотном диапазоне производится моделирование полосно-пропускающего фильтра, построенного из тех же компонентов. В обеих моделях представлены параметры рассеяния и распределение электрического поля.

Модель катушек индуктивности поверхностного монтажа с комментариями, созданная с помощью модуля Радиочастоты. Катушки индуктивности и конденсаторы в форм-факторе 0402 компонентов поверхностного монтажа (SMD) моделируются с использованием функций Lumped Element (Сосредоточенный элемент) на двухмерной границе. Катушки индуктивности и конденсаторы в форм-факторе 0402 компонентов поверхностного монтажа (SMD) моделируются с использованием функций Lumped Element (Сосредоточенный элемент) на двухмерной границе.

Путь в Библиотеке приложений к файлам, использующимся в учебной модели фильтра нижних частот с использованием сосредоточенных элементов:
RF_Module/Filters/lumped_element_filter

Новая учебная модель: безэховая камера, поглощающая электромагнитные волны

Безэховые камеры используются для измерения характеристик антенн, электромагнитных помех и электромагнитной совместимости. Внутри камеры находятся поглотители, изготовленные в форме массива пирамидальных объектов. Попадая на них, электромагнитные волны поглощаются или отклоняются в сторону стенок соседних пирамид. Благодаря тому, что возникающие внутри камеры электромагнитные волны поглощаются, а внешние сигналы отражаются и не попадают в нее, безэховая камера подобна бесконечному пустому пространству, свободному от отраженных сигналов и внешних радиочастотных помех.

В данной модели объектом является биконическая антенна, часто используемая в тестах на электромагнитные помехи и совместимость, расположенная в центре небольшой безэховой камеры. Расчеты диаграммы рассеяния в дальней области и параметра рассеяния S11 показывают, что поглотители микроволн значительно ослабляют отражение от стенок камеры и не влияют существенно на работу антенны.

Новая модель: безэховая камера, поглощающая электромагнитные волны, в COMSOL Multiphysics версии 5.3.

Современная безэховая камера, собранная в небольшом (3,9 м × 3,9 м × 3,3 м) помещении и состоящая из тонких проводящих стенок, покрытых поглотителями микроволн. Контурные кривые показывают распределение интенсивности электрического поля в плоскости ZX. Вблизи поглотителей электрическое поле заметно ослаблено.

Современная безэховая камера, собранная в небольшом (3,9 м × 3,9 м × 3,3 м) помещении и состоящая из тонких проводящих стенок, покрытых поглотителями микроволн. Контурные кривые показывают распределение интенсивности электрического поля в плоскости ZX. Вблизи поглотителей электрическое поле заметно ослаблено.

Cсылка на учебную модель безэховой камеры в Галерее приложений:
RF_Module/EMI_EMC_Applications/anechoic_chamber

Новая учебная модель: двухгребневая рупорная антенна

Двухгребневые рупорные антенны характеризуются надежной работой в широком диапазоне частот и часто используются в безэховых камерах, чтобы исследовать тестируемые антенны в полосах от S до Ku. В данной учебной модели используется геометрическая модель двухгребневой пирамидальной рупорной антенны, для которой рассчитывается коэффициент стоячей волны по напряжению, диаграмма направленности в дальней области и направленность антенны.

Коаксиальный разъем моделируется сосредоточенным портом, установленным на его конце на границе между внешней и внутренней проводящими поверхностями. Самый внешний слой воздушной области настроен как идеально согласованный слой, моделирующий поглощение всего падающего электромагнитного излучения, которое и происходит в безэховой камере. Сетка разбиения динамически перестраивается интерфейсом Electromagnetic Waves, Frequency Domain (Электромагнитные волны, частотная область) в соответствии с частотой, использующейся на данном прогоне моделирования.

Учебная модель COMSOL: двухгребневая пирамидальная рупорная антенна. Двухгребневая пирамидальная рупорная антенна с коаксиальным портом возбуждения. На рисунке показана трехмерная визуализация диаграммы направленности в дальней зоне (тепловая цветовая шкала), направление электрического поля (стрелочный график) и его интенсивность (радужная цветовая шкала) на апертуре и гребнях. Двухгребневая пирамидальная рупорная антенна с коаксиальным портом возбуждения. На рисунке показана трехмерная визуализация диаграммы направленности в дальней зоне (тепловая цветовая шкала), направление электрического поля (стрелочный график) и его интенсивность (радужная цветовая шкала) на апертуре и гребнях.

Путь в Библиотеке приложений к файлам учебной модели двухгребневой рупорной антенны:
RF_Module/Antennas/double_ridged_horn_antenna

Новая учебная модель: быстрое моделирование фильтра нижних частот линии передач

Один из способов проектирования фильтра — это подбор компонентов с номиналами, соответствующими номиналам в распространенных прототипах фильтров, таких как фильтры нижних частот с максимально плоской характеристикой или с равновеликими пульсациями. При этом намного проще изготовлять фильтр из распределенных компонентов на микроволновой подложке, так как пересчитанные в соответствии с требуемой частотой номиналы сосредоточенных конденсаторов и индукторов часто не попадают в номинальный ряд и оказываются недоступными.

В данной учебной модели демонстрируется процесс проектирования фильтра на распределенных элементах с использованием преобразований Ричардса, тождеств Куроды и интерфейса Transmission Line (Линия передачи). Этот подход отличается очень высокой скоростью выполнения по сравнению с решением уравнений Максвелла в трехмерном пространстве. Модель описывает трехэлементный фильтр нижних частот с равновеликими пульсациями амплитуды 0,5 дБ и граничной частотой 4 ГГц. Результатом является график параметра рассеяния. Характерный вид частотного отклика в области низких частот периодически повторяется в высокочастотной области.


Путь в Библиотеке приложений к файлам учебной модели «Быстрое моделирование фильтра нижних частот линии передачи»:
RF_Module/Filters/transmission_line_lpf

Новая учебная модель: Быстрое моделирование делителя мощности Уилкинсона в линии передачи

Распространенными видами делителей мощности являются резистивные и T-образные делители. Однако эти устройства либо рассеивают энергию, либо имеют рассогласование импеданса с системным по меньшей мере на одном из портов. Кроме того, между связанными портами нет идеальной изоляции. Делитель мощности Уилкинсона работает лучше, чем бездиссипативный Т-образный делитель и резистивный делитель, и не имеет этих недостатков.

В данном примере делитель мощности Уилкинсона моделируется с использованием интерфейса Transmission Line (Линия передачи) в двух измерениях. Этот подход отличается очень высокой скоростью выполнения по сравнению с решением уравнений Максвелла в трехмерном пространстве. Результатом являются рассчитанные параметры рассеяния в диапазоне 1—5 ГГц и распределение электрического потенциала вдоль линии передачи.

График из учебной модели Fast Modeling of a Transmission Line Wilkinson power divider (Быстрое моделирование делителя мощности Уилкинсона в линии передач). При возбуждении порта 1 входное напряжение равномерно (-3 дБ) распределяется между портами 2 и 3. При возбуждении порта 1 входное напряжение равномерно (-3 дБ) распределяется между портами 2 и 3.

Путь в Библиотеке приложений к файлам учебной модели делителя мощности Уилкинсона:
RF_Module/Couplers_and_Power_Dividers/transmission_line_wpd

Новая учебная модель: быстрое прототипирование диаграммообразующей матричной схемы Батлера

Матричная схема Батлера является пассивной схемой, использующейся для формирования направленного луча из входного сигнала. Поскольку эта схема может быть изготовлена по микрополосковой технологии, она снижает затраты на цепи питания фазированных решеток и позволяет изготавливать системы развертки луча без дорогих активных компонентов .

В данном примере демонстрируется, как можно спроектировать данную схему, используя интерфейс Transmission Line (Линия передачи). В качестве результатов показано распределение логарифма напряжения на матричной схеме Батлера на частоте 30 ГГц и арифметический набег фазы на каждом выходном порту.

Порт 5 Порт 6 Порт 7 Порт 8 Набег фазы

Подача сигнала на порт 1

-90° -135° -180° 135° -45°

Подача сигнала на порт 3

-180° -45° 90° -135° +135°

Подача сигнала на порт 3

-135° 90° -45° -180° -135°

Подача сигнала на порт 4

135° -180° -135° -90° +45°
Коллаж из четырех изображений диаграмм рассеяния одного и того же массива двухмерных микрополосковых антенн при подаче возбуждения на разные порты. Трехмерная диаграмма рассеяния в дальней зоне для массива 4×1 двухмерных микрополосковых антенн, подключенных к диаграммообразующей матричной схеме Батлера. Изображения расположены в порядке изменения фазы (от отрицательного к положительному) Модель антенны в пример не включена. Трехмерная диаграмма рассеяния в дальней зоне для массива 4×1 двухмерных микрополосковых антенн, подключенных к диаграммообразующей матричной схеме Батлера. Изображения расположены в порядке изменения фазы (от отрицательного к положительному) Модель антенны в пример не включена.


Путь в Библиотеке приложений к файлам учебной модели диаграммообразующей матричной схемы Батлера:
RF_Module/Couplers_and_Power_Dividers/transmission_line_butler

Новая учебная модель: быстрое преобразование Фурье в координатах «время — частота» при моделировании коаксиального фильтра нижних частот

Чтобы превратить воздухонаполненный коаксиальный кабель в фильтр нижних частот, на внешней стенке проводника в данной модели расположены пять колец (диафрагм). В примере моделируется двухмерный осесимметричный фильтр нижних частот со сравнительно широкой полосой пропускания. Чтобы добиться высокого разрешения при моделировании частотного отклика в широком диапазоне, сначала строится модель в физическом интерфейсе нестационарных процессов, а затем с помощью быстрого преобразования Фурье в координатах «время — частота» рассчитываются параметры рассеяния. Расчетные параметры рассеяния показывают частотный отклик фильтра нижних частот с граничной частотой около 24,5 ГГц.


Модель коаксиального фильтра нижних частот, созданная в модуле Радиочастоты COMSOL Multiphysics. Контурная диаграмма интенсивности нормальной компоненты электрического поля и векторный график усредненного по времени потока мощности на частоте 10 ГГц. Контурная диаграмма интенсивности нормальной компоненты электрического поля и векторный график усредненного по времени потока мощности на частоте 10 ГГц.

Путь в Библиотеке приложений к файлам учебной модели «Быстрое преобразование Фурье при моделировании коаксиального фильтра нижних частот»:
RF_Module/Filters/coaxial_low_pass_filter_transient

Новая учебная модель: описание фильтра при помощи импорта параметров рассеяния из файла формата Touchstone

Файл формата Touchstone содержит описание частотного отклика многополюсника в представлении параметров рассеяния. Это представление позволяет строить упрощенные описания цепей любой сложности. Данные в файле формата Touchstone могут быть получены с помощью численного моделирования или анализатора схем. Далее полученный файл, описывающий данный четырехполюсник, можно подключить к модели и избежать ручного построения сложной формы самой схемы.

В данном примере фильтр нижних частот, соединяющий два коаксиальных разъема, моделируется с использованием функции Two-port Network (Четырехполюсник) и параметров рассеяния, импортированных из файла формата Touchstone. Результаты включают в себя параметры рассеяния и распределение электрического поля в коаксиальных разъемах.

Изображение, демонстрирующее, как описать фильтр с помощью файла Touchstone, не включая геометрию схемы непосредственно в модель. Геометрия схемы внутри области, ограниченной синим параллелепипедом, не включена в саму модель, а описана в файле формата Touchstone. Геометрия схемы внутри области, ограниченной синим параллелепипедом, не включена в саму модель, а описана в файле формата Touchstone.

Путь в Библиотеке приложений к файлам учебной модели «Импорт параметров рассеяния из файла формата Touchstone»:
RF_Module/Filters/two_port_network_touchstone

Новая учебная модель: настройка высокоскоростной соединительной цепи с помощью динамической рефлектометрии

Динамическая рефлектометрия — полезный метод исследования целостности сигнала, при котором отраженная мощность сигнала позволяет найти обрывы в сигнальной цепи. В отсутствие внешних источников шума, помех или паразитных связей, основной вклад в искажение исходного импульса вносит отражение при рассогласовании импедансов.

В данном примере микрополосковая линия передачи с межслоевым соединением в виде металлизированного отверстия исследуется ступенчатым сигналом с высокой скоростью нарастания. Производится поиск разрывов на пути сигнала, и искажения устраняются путем настройки цепи на основе расчета импеданса по данным динамической рефлектометрии.

Модель двух микрополосковых линий, соединенных металлизированным межслоевым контактом. Микрополосковая линия на многослойной печатной плате. В качестве изолятора каждого слоя используется микроволновая подложка толщиной 0,5 мм. Плоскость заземления с контактной площадкой подвода к межслоевому соединению располагается между двумя слоями изолятора. Верхняя и нижняя часть микрополосковой линии соединены межслоевым контактом — металлизированным отверстием. Верхний слой изолятора и плоскость заземления скрыты для улучшения визуализации. Микрополосковая линия на многослойной печатной плате. В качестве изолятора каждого слоя используется микроволновая подложка толщиной 0,5 мм. Плоскость заземления с контактной площадкой подвода к межслоевому соединению располагается между двумя слоями изолятора. Верхняя и нижняя часть микрополосковой линии соединены межслоевым контактом — металлизированным отверстием. Верхний слой изолятора и плоскость заземления скрыты для улучшения визуализации.


Путь в Библиотеке приложений к файлам учебной модели динамической рефлектометрии:
RF_Module/EMI_EMC_Applications/high_speed_interconnect_tdr

Новые переменные постобработки для вычислений в дальней зоне

В физических интерфейсах для расчета диаграмм направленности в дальней зоне были добавлены дополнительные переменные постобработки. Переменная коэффициента усиления разделена на «коэффициент усиления» и «реальный коэффициент усиления», учитывающий рассогласование импедансов на входе, для большей ясности. Эти переменные постобработки могут быть использованы при построении диаграмм в дальней зоне, визуализирующих характеристики антенны.

  • EIRP и EIRPdB: эффективная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) и ее логарифмический аналог
  • gainEfar и gaindBEfar: коэффициент усиления в отсутствие входного рассогласования и его логарифмический аналог
  • rGainEfar и rGaindBEfar: реальный коэффициент усиления (с учетом входного рассогласования) и его логарифмический аналог


Путь в библиотеке приложений к файлам новых переменных постобработки для вычислений в дальней зоне:
RF_Module/Antennas/double_ridged_horn_antenna

Новые настройки по умолчанию, повышающие удобство использования.

Многие настройки по умолчанию были пересмотрены и дополнены для повышения эргономичности и уменьшения количества действий, требующихся от пользователя в процессе моделирования.

  • В интерфейсе Electromagnetic Wave, Frequency Domain (Электромагнитные волны, частотная область) добавлена возможность построения сетки, управляемой физической моделью
  • В интерфейсе Electromagnetic Wave, Frequency Domain (Электромагнитные волны, частотная область) при разбиении сетки длина волны или частота считываются автоматически на основе предыдущих шагов исследования
  • В интерфейсе Electromagnetic Wave, Frequency Domain (Электромагнитные волны, частотная область) настройки решателя по умолчанию изменены с Robust (Устойчивые) на Fast (Быстрые)
  • повышено угловое разрешение трехмерных визуализаций в дальней области (θ 45, φ 45)
  • Включена подача сигнала по умолчанию на первый порт
  • В шагах исследования Frequency Domain (Частотная область), Frequency Domain Modal (Модальный анализ в частотной области) и Eigenfrequency (Собственные частоты) частота по умолчанию теперь измеряется в ГГц
  • По умолчанию поиск собственных частот в исследованиях Frequency Domain Modal (Модальный анализ в частотной области) теперь ведется в направлении Larger real part (Наибольшие вещественные части)
  • Оператор Linper (Линейные возмущения) теперь применяется по умолчанию к возбуждаемым сосредоточенным портам, и его не надо активировать вручную в исследовании Frequency-Domain Modal (Модальный анализ в частотной области).
  • Описания параметров рассеяния упрощены, и единицей измерения по умолчанию на графиках параметров рассеяния теперь является ГГц.

Обновленные учебные модели, использующие методы моделирования пониженного порядка

Шаг исследования Frequency-Domain Modal (Модальный анализ в частотной области) теперь можно применять к портам и сосредоточенным портам. Вручную применять оператор linper (Линейные возмущения) к возбуждаемому порту при этом не требуется. В примерах Библиотеки приложений для проектирования устройств с высокой добротностью и функцией полосно-пропускающих фильтров теперь используются два новых мощных метода моделирования — метод асимптотического анализа формы сигнала и методы модального анализа в частотной области. Эти методы позволяют проводить моделирование на порядки быстрее, чем традиционные методы частотной развертки, и при том имеют лучшее разрешение по частоте.

Новый график из учебной модели Waveguide Iris Bandpass Filter (Волноводная диафрагма полосно-пропускающего фильтра) в версии 5.3 программного обеспечения COMSOL.

Несмотря на то, что частотное разрешение исследования Frequency-Domain Modal (Модальный анализ в частотной области) в пять раз выше, чем при дискретной развертке по частоте, время моделирования для анализа того же фильтра сокращается в четыре раза. Это изображение взято из учебной модели Waveguide Iris Bandpass Filter (Волноводная диафрагма полосно-пропускающего фильтра).

Несмотря на то, что частотное разрешение исследования Frequency-Domain Modal (Модальный анализ в частотной области) в пять раз выше, чем при дискретной развертке по частоте, время моделирования для анализа того же фильтра сокращается в четыре раза. Это изображение взято из учебной модели Waveguide Iris Bandpass Filter (Волноводная диафрагма полосно-пропускающего фильтра).

Пути в Библиотеке приложений к примерам использования метода Asymptotic Waveform Evaluation (Асимптотический анализ формы сигнала):
RF_Module/Filters/cylindrical_cavity_filter_evanescent
RF_Module/Passive_devices/rf_coil

Пути в Библиотеке приложений к примерам использования метода Frequency-Domain Modal (Модальный анализ в частотной области):
RF_Module/Filters/cascaded_cavity_filter
RF_Module/Filters/coupled_line_filter
RF_Module/Filters/cpw_bandpass_filter
RF_Module/Filters/waveguide_iris_filter