Модуль Радиочастоты (RF)

Программное обеспечение для разработки микроволновых и радиочастотных устройств

Модуль Радиочастоты (RF)

АНТЕННА АВТОМОБИЛЯ И ЭМП/ЭМС.В этом примере моделируется печатная FM антенна на спойлере автомобиля. Визуализирована трехмерная картина излучения в дальней зоне. Верхняя часть пространства обрезана с помощью идеально согласованного слоя для воссоздания бесконечного воздушного пространства. Исследована интенсивность электрического поля на кабелях.

Виртуальное прогнозирование разработок микроволновых и радиочастотных устройств

Модуль RF (Радиочастоты) используется разработчиками радиочастотных и микроволновых устройств при проектировании антенн, волноводов, фильтров, схем, резонаторов и метаматериалов. Благодаря быстрому и точному моделированию распространения электромагнитных волн и резонансного режима инженеры имеют возможность рассчитывать распределение, передачу и отражение электромагнитных полей, полное сопротивление, добротности, параметры рассеяния и рассеиваемую мощность. Рассматриваемое здесь моделирование позволяет сократить расходы, одновременно позволяя оценивать и прогнозировать физические явления, которые невозможно непосредственно измерить экспериментально.

По сравнению с традиционным моделированием электромагнитных явлений, пользователь также имеет возможность расширять модель и включать в нее такие явления, как повышение температуры, деформации конструкций и поток жидкости. Можно объединять различные физические явления и, следовательно, влиять на все протекающие физические процессы при моделировании электромагнитного устройства.

Посмотреть скриншот »

Технология решателя

Модуль RF (Радиочастоты) основан на методе конечных элементов. Уравнения Максвелла решаются методом конечных элементов с численно стабильными граничными элементами, которые также называются векторными элементами с использованием современных алгоритмов предварительной обработки и пошагового решения получаемых систем разреженных уравнений. Пошаговый решатель и прямой решатель работают параллельно в компьютерах с многоядерными процессорами. Кластерные вычисления можно использовать для расчётов с разверткой по частоте, распределяя частотные точки по компьютерам внутри кластера, что позволяет очень быстро проводить вычисления, либо для решения больших моделей прямым решателем, используя распределенную память (MPI).

Посмотреть скриншот »


Дополнительные изображения с примерами:

  • ВЗАИМНЫЕ ПОМЕХИ: Взаимные помехи антенн на единой большой платформе могут быть исследованы с помощью анализа S-параметров различных конфигураций приёмной антенны установленной на фюзеляже самолета. В модели исследуется взаимодействие между двумя идентичными антеннами на сверхвысоких частотах. ВЗАИМНЫЕ ПОМЕХИ: Взаимные помехи антенн на единой большой платформе могут быть исследованы с помощью анализа S-параметров различных конфигураций приёмной антенны установленной на фюзеляже самолета. В модели исследуется взаимодействие между двумя идентичными антеннами на сверхвысоких частотах.
  • ИЗМЕРЕНИЕ АНТЕНН: Пирамидальные поглотители из поглощающего излучение материала широко используются в безэховых камерах для электромагнитных измерений. В данном примере микроволновое поглощение моделируется с использованием диссипативных материалов для имитации электромагнитных свойств проводящих покрытий на основе углеродного пенопласта. ИЗМЕРЕНИЕ АНТЕНН: Пирамидальные поглотители из поглощающего излучение материала широко используются в безэховых камерах для электромагнитных измерений. В данном примере микроволновое поглощение моделируется с использованием диссипативных материалов для имитации электромагнитных свойств проводящих покрытий на основе углеродного пенопласта.
  • БИОМЕДИЦИНСКИЙ ИНЖИНИРИНГ: Эта модель использует маломощный 35 ГГц диапазон длин волн (диапазон Ka) и его рефлективность для увлажнения при неинвазивной диагностике рака. Он детектирует патологические изменения в терминах S-параметров в окрестностях опухоли. Также проведен фракционный анализ отмирающей ткани. БИОМЕДИЦИНСКИЙ ИНЖИНИРИНГ: Эта модель использует маломощный 35 ГГц диапазон длин волн (диапазон Ka) и его рефлективность для увлажнения при неинвазивной диагностике рака. Он детектирует патологические изменения в терминах S-параметров в окрестностях опухоли. Также проведен фракционный анализ отмирающей ткани.
  • ДЕЛИТЕЛЬ/ОТВЕТВЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ: Делитель мощности Уилкинсона представляет собой трехпортовое устройство, которое превосходит T-образное соединение и резистивный делитель. Данная модель содержит 100-Ω сопротивление в виде сосредоточенного элемента и производит вычисление S-параметров, которые демонстрируют хорошее входное согласование и равномерно распределенный выход по уровню -3дБ. ДЕЛИТЕЛЬ/ОТВЕТВЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ: Делитель мощности Уилкинсона представляет собой трехпортовое устройство, которое превосходит T-образное соединение и резистивный делитель. Данная модель содержит 100-Ω сопротивление в виде сосредоточенного элемента и производит вычисление S-параметров, которые демонстрируют хорошее входное согласование и равномерно распределенный выход по уровню -3дБ.
  • УСТРОЙСТВО С ПОДСТРОЙКОЙ: В данной симуляции резонансная частота контролируется с помощью ёмкости, расположенной внутри резонаторного фильтра на затухающей моде. Ёмкость регулируется с помощью пьезоактуатора. УСТРОЙСТВО С ПОДСТРОЙКОЙ: В данной симуляции резонансная частота контролируется с помощью ёмкости, расположенной внутри резонаторного фильтра на затухающей моде. Ёмкость регулируется с помощью пьезоактуатора.
  • ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА: Коническая щелевая антенна, также известная как антенна Вивальди, применяется в широкополосных устройствах. Конический профиль может быть легко сконфигурирован с помощью экспоненциальной функции. Эта модель показывает диаграмму направленности излучения от антенны, быстро построенную с помощью трехмерного графика в дальней зоне. ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА: Коническая щелевая антенна, также известная как антенна Вивальди, применяется в широкополосных устройствах. Конический профиль может быть легко сконфигурирован с помощью экспоненциальной функции. Эта модель показывает диаграмму направленности излучения от антенны, быстро построенную с помощью трехмерного графика в дальней зоне.

Возможности анализа для моделирования электромагнитных устройств

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ

Модуль RF (Радиочастоты) моделирует трехмерные, двумерные и двумерные осесимметричные электромагнитные поля, позволяет составлять уравнения линии передачи в одномерном случае, и проводить безразмерное моделирование цепей с использованием списков соединений SPICE. Трехмерное моделирование основано на полной системе уравнений Максвелла с использованием векторных граничных элементов. Оно включает соотношения свойств материалов для моделирования диэлектрических, металлических, дисперсионных, диссипативных, анизотропных, гиротропных и смешанных сред. Двумерные решения позволяют находить поляризацию в плоскости и вне плоскости одновременно или раздельно, а также определять распространение вне плоскости. Двумерные осесимметричные решения позволяют рассчитывать азимутальные поля и поля в плоскости одновременно или по отдельности, а также находить решения для известного номера азимутальной моды.

ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧИ ДЛЯ ПОЛЯ

Предлагаются выражения как для суммарной, так и для фоновой волны. Выражения для суммарной волны позволяют находить решения для результирующих полей, созданных всеми включенными в модель источниками, а выражения для фоновой волны подразумевают наличие известного фонового поля от внешнего источника. При этом реализован общий подход к моделированию радиолокационной эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) и рассеяния электромагнитных волн.

ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ

В модели предусмотрены граничные условия для моделирования поверхностей с идеальной электропроводностью, поверхностей с конечной проводимостью и поверхностей, которые могут представлять собой тонкие граничные слои с затуханием. Симметрия и периодические граничные условия позволяют моделировать подмножество полного модельного пространства, а граничные условия рассеяния и идеально согласованные слои (PML) используются для моделирования границ со свободным пространством. Для моделирования портов предусмотрены различные граничные условия возбуждения: предлагаются прямоугольные, круглые, периодические, коаксиальные, аппроксимированные сосредоточенные, пользовательские варианты возбуждения портов, а также точные численные решения. Пользователь может вводить граничные условия, отображающие терминирование кабелей, а также дискретные емкостные, индуктивные и резистивные элементы. Для быстрой разработки прототипа также предлагаются линейные токи и точечные диполи.

ТИПЫ РЕШЕНИЙ

Моделирование может осуществляться в виде решения задач о собственных значениях, задач в частотной области или решений только для переходных режимов. Решение задачи о собственных значениях позволяет найти резонансы и коэффициенты добротности конструкции, а также постоянные распространения и потери в волноводах. Решение задач в частотной области позволяет рассчитать электромагнитные поля для одной частоты и для диапазона частот. Быстрые развертки по частоте с помощью метода аппроксимирующих функций Паде могут значительно сократить время решения при расчете для диапазона частот. Моделирование переходных процессов возможно как для полноволновых векторных выражений второго порядка, так и для более эффективных с точки зрения использования памяти формул первого порядка разрывного метода Галеркина. Моделирование переходных процессов используется для моделирования материалов с нелинейными характеристиками, времени распространения и возврата сигнала, а также моделирования свойств в очень широком диапазоне.

СВЯЗИ МЕЖДУ МОДУЛЯМИ MULTIPHYSICS

Уравнения во всех моделях, разработанных в среде COMSOL Multiphysics, можно полностью объединять таким образом, чтобы электромагнитные поля могли влиять на прочие физические явления и испытывать влияние с их стороны. В частности, специализированный пользовательский интерфейс для микроволнового нагрева расширяет возможности моделирования за пределы традиционного анализа поглощения мощности благодаря таким функциям, как расчеты удельного коэффициента поглощения (SAR) и прогнозирование повышения температуры. Решая уравнения Максвелла в частотной области и уравнение теплопередачи в стационарном режиме или во временной области, можно рассчитать повышение температуры с течением времени, а также изменение свойств материалов в зависимости от температуры.

Посмотреть скриншот »

Расширяемые результаты имитационного моделирования микроволновых и радиочастотных устройств

Результаты расчетов представляются в виде заранее заданных графиков электрических и магнитных полей, параметров рассеяния, потока мощности и потерь. Быстродействующий инструмент постобработки позволяет быстро получать диаграммы направленности в дальней зоне. Результаты работы можно отображать в виде графиков выражений, представляющих физические параметры, свободно задаваемые пользователем, либо табулированные значения параметров, полученные в результате моделирования. Матрицы параметров рассеяния можно экспортировать в формат Touchstone. Все данные можно экспортировать в виде таблиц, текстовых файлов, необработанных данных и изображений.

Посмотреть скриншот »

Используется простой алгоритм работы, который можно описать в виде следующих этапов: задать геометрию, создав ее с помощью встроенных инструментов COMSOL или импортировав модель из САПР, выбрать материалы, выбрать подходящий пользовательский интерфейс и тип анализа, определить порты и граничные условия, автоматически построить сетку конечных элементов, решить задачу с возможной адаптацией сетки, наглядно результаты и произвести их окончательную обработку. Все эти шаги выполняются с COMSOL Desktop®. На этапе выбора решателя автоматически используются настройки по умолчанию, настроенные на каждый конкретный радиочастотный интерфейс. При альтернативном подходе пользователь имеет возможность задавать настройки самостоятельно.

Многочисленные примеры моделей для проектирования радиочастотных и микроволновых устройств

Библиотека моделей модуля RF (Радиочастоты) описывает интерфейсы и их отличительные возможности в учебных и сравнительных примерах. В этой библиотеке имеются модели для анализа антенн, ферритовых устройств, явлений микроволнового нагрева, пассивных устройств, рассеивания и эффективной площади рассеяния (ЭПР), линий передачи и волноводов для радиочастотной и микроволновой техники, учебные модели и сравнительные модели для проверки и оценки радиочастотных интерфейсов.

Посмотреть скриншот »

Scattering of Electromagnetic Waves by Particles

Analysis of Spiral Resonator Filters

Picking the Pattern for a Stealth Antenna

Doubling Beam Intensity Unlocks Rare Opportunities for Discovery at Fermi National Accelerator Laboratory

MRI Tumor-Tracked Cancer Treatment

Nanoresonators Get New Tools for Their Characterization

Developing a New Microreactor for Organic Synthesis Using Microwave Heating

Dipole Antenna

Absorbed Radiation (SAR) in the Human Brain

Plasmonic Wire Grating (RF)

Circularly Polarized Antenna for GPS Applications

Log-Periodic Antenna

Monopole Antenna Array

Modeling of Pyramidal Absorbers for an Anechoic Chamber

A SMA Connector on a Grounded Coplanar Waveguide

Corrugated Circular Horn Antenna

Slot-Coupled Microstrip Patch Antenna Array Synthesizer