Семейство продуктов COMSOL®

Программный пакет для электродинамических расчетов и оптимизации радиочастотных систем

Проектировщики и разработчики СВЧ-устройств должны быть уверены, что используемые электромагнитные модели надежны и достоверны. Традиционная вычислительная электродинамика сфокусирована на исследовании только электромагнитных явлений, но ни одно реальное изделие не ограничено рамками одного раздела физики. Чтобы учесть влияние других физических явлений на виртуальный прототип, требуется междисциплинарное или мультифизическое моделирование, которое позволяет учитывать такие эффекты, как рост температуры, механические деформации и потоки жидкостей или газов.

Расширяя возможности базовой платформы COMSOL Multiphysics® за счет модуля Радиочастоты, вы сможете исследовать СВЧ-радиочастотные устройства в единой интегрированной мультифизической программной среде, учитывающей естественным образом, например, микроволновый и радиочастотный нагрев.

Модуль Радиочастоты — технологии моделирования сегодняшнего и завтрашнего дня

Конечные продукты, различные электронные компоненты и устройства всегда могут быть улучшены. Модуль Радиочастоты позволяет оптимизировать их конструкцию, за счет детального исследования физических явлений распространения электромагнитных волн, микроволнового и радиочастотного нагрева, чтобы создать лучший продукт и опередить конкурентов.

В динамично развивающихся отраслях электронной (радиочастотной, микрометрового и миллиметрового диапазонов) промышленности, разработка продуктов должна соответствовать современным трендам и технологиям. Например, антенны и радиочастотные тракты (включая фильтры, ответвители, делители мощности и цепи согласования импеданса) должны быть совместимыми с будущими разработками: сетями пятого поколения MIMO 5G, Интернетом вещей и спутниковой связью (SatCom).

Также важно измерять радиочастотные помехи и оценивать радиочастотную совместимость платформ беспроводной связи, чтобы изделия для новых прикладных областей — носимой электроники, беспилотных автомобилей и современных микроволновых и радиочастотных устройств — работали без проблем и без помех.

Программный пакет COMSOL® поможет вашей компании перейти на технологии СВЧ-расчётов сегодняшнего и завтрашнего дня.

Области применения модуля Радиочастоты

Дополняя базовую платформу COMSOL Multiphysics® модулем Радиочастоты, вы получаете доступ к специализированным функциям и методам моделирования радиочастотных и микроволновых устройств, расширяющим возможности пакета COMSOL Multiphysics®.

Модуль Радиочастоты включает инструменты для моделирования следующих задач:

  • Антенны
  • Диаграммы излучения в дальней зоне
  • Коэффициент усиления и коэффициент направленного действия антенны
  • S-параметры
  • Входной импеданс
  • Фазированные решетки
  • Электрические цепи
  • Радиочастотная идентификация (RFID)
  • Биомедицинские устройства
  • Микроволновое спекание и спектроскопия
  • Полосовые фильтры
  • Метаматериалы и интегрированные плазмонные устройства
  • Наноструктуры
  • Излучение миллиметрового и терагерцевого диапазона
  • Резонаторы и фильтры
  • Ответвители и делители мощности
  • Ферримагнитные устройства
  • Ближняя беспроводная связь
  • Периодические решетки и структуры Блоха — Флоке
  • Расчет удельного коэффициента поглощения (SAR)
  • Микроволновые печи
  • Рассеяние и перекрестное излучение
  • Линии передачи
  • Микрополосковые линии
  • Копланарные волноводы
  • Волноводы на диэлектрической подложке
  • Устройства с настраиваемой частотой
  • Радиочастотные микроэлектромеханические системы
  • Электромагнитные помехи и электромагнитная совместимость (ЭМП/ЭМС - EMI/EMC)

Мультифизические связи

Доступные непосредственно в модуле Радиочастоты:

  • Электромагнитный нагрев
  • Материалы с температурно-зависимыми свойствами
  • Материалы со свойствами, зависящими от электромагнитного поля
  • Материалы со свойствами, зависящими от деформации и напряжения, в т.ч. деформированные геометрии устройств

Доступные при наличии дополнительных модулей расширения:

  • Нагрев биологических тканей и биомедицинская терапия, например, микроволновая абляция и диагностика раковых тканей волнами миллиметрового диапазона
  • Влияние термического напряжения и механических деформаций на рабочие характеристики
  • Ферриты c подмагничивающим полем
  • Перестраиваемые фильтры с пьезоэлектрическим приводом
  • Микроволновая плазма
  • Диэлектрофорез
  • Потери тепла на излучение
Модель COMSOL: диаграммообразующая матричная схема Батлера на основе линий передачи

Диаграммообразующая матричная схема Батлера спроектирована на основе интерфейса Transmission Line (Линия передачи) в модуле Радиочастоты. Результаты на изображении показывают норму электрического поля (в логарифмическом масштабе) на элементах антенны на частоте 30 ГГц и растущий набег фазы в диаграммообразующей матрице.

Модель COMSOL для изучения поглощения микроволн в безэховой камере. Биконическая антенна, часто применяемая в испытаниях на электромагнитные помехи и электромагнитную совместимость, размещена в центре безэховой испытательной камеры. Диаграмма направленности в дальней зоне и S-параметры, полученный в результате моделирования показывают, что отражение от стенок значительно снижено, а рабочие характеристики антенны не пострадали.
График частотной зависимости S-параметров для модели частотно-избирательной поверхности, созданной в модуле Радиочастоты COMSOL Multiphysics. График частотной зависимости S-параметров для модели частотно-избирательной поверхности. Отчетливо заметна полоса пропускания в окрестности резонанса структуры.
Диаграмма Смита для S-параметров для модели частотно-избирательной поверхности, созданной в модуле Радиочастоты COMSOL Multiphysics. Диаграмма Смита демонстрирует отражательную и пропускную способность модели частотно-избирательной поверхности для одного из исследуемых углов падения.
Моделирование электромагнитного нагрева в модуле Радиочастоты от COMSOL. Изогнутый волновод X-диапазона содержит диэлектрический элемент из материала с температурно-зависимыми свойствами. В модели продемонстрировано, как сборка нагревается с течением времени из-за электромагнитных потерь, определено установившееся распределение температуры.
Модель COMSOL микроволнового НЧ-фильтра на печатной плате. В модели проводится расчет S-параметров микроводногового НЧ-фильтра, размещенного на печатной плате. В исследовании учитывается влияние статической механической нагрузки и деформации микрополосковых структур на частотные характеристики устройства.

Сновные функции и возможности, доступные в модуле Радиочастоты

Ниже систематизирован и описан ключевой функционал и преимущества модуля Радиочастоты.

Вы можете проводить анализ радиочастотных и микроволновых устройств, выбирая в пакете уже готовые предустановленные физические интерфейсы. Они содержат полный список удобных инженерных функций, условий и настроек для различных сценариев моделирования, так что расчетную модель можно построить, не вникая в сложную физику лежащих в ее основе уравнений Максвелла.

Исследуете ли вы простые радиочастотные электромагнитные устройства или связываете их с другими физическими явлениями, такими как теплопередача и механика конструкций, вы найдете нужные вам инструменты среди большого набора встроенных физических интерфейсов.

Did You Know? Физический интерфейс — полноценный набор функций, материальных моделей и граничных условий, разработанных для конкретной области исследований.

Физические интерфейсы модуля Радиочастоты:

  • Electromagnetic Waves, Frequency Domain (Электромагнитные волны, частотная область)
  • Electromagnetic Waves, Time Explicit (Электромагнитные волны, временная область с явным решателем)
  • Electromagnetic Waves, Transient (Электромагнитные волны, временная область)
  • Transmission Line (Линия передачи)
  • Electrical Circuits (Электрические цепи)
  • Microwave Heating (Микроволновый нагрев)
Отображение готовых физических интерфейсов, доступные в модуле Радиочастоты, в графическом пользовательском интерфейсе COMSOL.

Радиочастотный нагрев в волноводе моделируется с помощью готового интерфейса Microwave Heating (Микроволновый нагрев), доступного при расширении возможностей базовой платформы COMSOL Multiphysics® с помощью модуля Радиочастоты.

Для эффективного моделирования электромагнитных задач требуется большой набор граничных условий и геометрических настроек. В модуле Радиочастоты вы найдете предопределенные геометрические функции для работы с одномерными, двухмерными и трехмерными моделями.

Доступен широкий набор граничных условий для описания металлических границ, включая задание границы с комплексным импедансом, идеальные электрические и магнитные проводники, а также излучающих или поглощающих границ, например, рассеивающих границ (типа Зоммерфельда) и идеально согласованных слоев (PML). Модуль Радиочастоты поддерживает задание периодических граничных условий, снижающих геометрические размеры модели.

Did You Know?

Вы можете сократить время, требуемое для расчета и используемую оперативную память, за счет применения граничных условий Periodic (Периодическое граничное условие), Perfectly Matched Layer (Идеально согласованные слои) и Symmetry (Симметрия).

Набор граничных условий покрывает широкий диапазон инженерных задач проектирования, позволяя создавать модели портов, кабелей, устройств и компонентов со сложной геометрией.

Граничные условия, доступные в модуле Радиочастоты:

  • На поверхностях
  • Идеально проводящие поверхности
  • Поверхности с конечной проводимостью
  • Тонкие слои с потерями
  • Симметрия
  • Периодичность
  • Свободное пространство
  • Рассеивающие (поглощающие) границы
  • Идеально согласованные слои (PML - perfectly matched layers)
  • Сосредоточенные элементы (поверхностного монтажа)
  • Ёмкостные
  • Индуктивные
  • Резистивные
  • С комплексным сопротивлением
  • Порты
  • Прямоугольные
  • Круглые
  • Периодические
  • Коаксиальные
  • С пользовательскими настройками
  • Численные (с расчетом и согласованием моды)
  • Сосредоточенные
  • Четырехполюсники
  • Кабельные выводы
  • Линейные контуры с током
  • Точечные диполи
 

Хотите взять на себя управление и получить полный контроль над моделью? Моделирование на основе пользовательских уравнений (equation-based modeling) предоставит вам доступ и возможность редактировать исходные уравнения непосредственно в программной среде, подстраивая модель под необходимые требования.

В модуле Радиочастоты для электромагнитных расчетов обычно с помощью метода конечных элементов ищется решения для формулировки системы уравнений Максвелла в частотной области. Гибкость и адаптивность конечно-элементных методов, реализованных в пакете, позволяет получить надежные и достоверные результаты при использовании пользовательских формулировок и уравнений.

Did You Know? Метод конечных элементов во многих случаях предпочтительнее метода конечных разностей, особенно для мультифизических прикладных задач и для устройств, состоящих из сложных геометрических объектов.

Кроме этого, реализованные в пакете инструменты для моделирования на основе пользовательских уравнений избавляют от необходимости программировать и создавать собственный расчетные коды с нуля, предоставляя значительно более гибкие возможности и уменьшая время, затрачиваемое на создание моделей и проведение исследований.

Гибкость моделирования на основе пользовательских уравнений (equation-based modeling) в модуле Радиочастоты:

Did You Know? Моделирование на основе пользовательских уравнений позволяет изменять уравнения, лежащие в основе физических интерфейсов и построенных на их основе моделей.

  • Одномерные модели (1D)
  • Уравнения линий передачи (можно использовать в двухмерных и трехмерных моделях)
  • Двухмерные модели (2D)
  • Учет поляризация в плоскости и вне плоскости или использование полного трехкомпонентного вектора
  • Распространение вне плоскости
  • Двухмерные осесимметричные модели (2D axisymmetric)
  • Учет поляризация в плоскости и вне плоскости (азимутальная формулировка) или использование полного трехкомпонентного вектора
  • Известные азимутальные номера мод
  • Формулировки для расчета поля:
  • Полноволновой метод
  • Фоновое поле (поле рассеяния)
  • Трехмерные модели (3D)
  • Полноволновая форма уравнений Максвелла, использующая векторные (криволинейные) конечные элементы
  • Доступные материальные модели и соотношения:
  • Диэлектрические среды
  • Металлические среды
  • Среды с дисперсией
  • Среды с потерями
  • Анизотропные среды
  • Гиротропные среды
  • Смешанные среды
  • Безразмерное моделирование сосредоточенных электрических цепей, в т.ч. на основе списков соединений SPICE
 

В модуле Радиочастоты вы получаете полный контроль за построением конечно-элементной сетки. Это особенно важно при исследовании материалов, свойства которых могут меняться в процессе моделирования, например, при расчёте электромагнитного нагрева.

Используя возможность автоматической генерации сетки на основе настроек физического интерфейса (physics-controlled meshing), в COMSOL Multiphysics® вы получите корректное разрешение волновых процессов для точного расчета необходимых электромагнитных явлений. После этого вы сможете варьировать размеры и число сеточных элементов для достижения требуемой точности.

Широкий набор инструментов для автоматической и ручной настройки сетки для вашей радиочастной модели позволяет корректно разрешать диэлектрические области, идеально согласованные слои (PML) и периодические структуры. Полный контроль для процессом построения сетки обеспечивает точные результаты моделирования.

В модуле Радиочастоты доступно построение сеток на основе:

  • Тетраэдров
  • Треугольников
  • Гексаэдров
  • Призм
  • Прямоугольников
Электромагнитная модель в COMSOL, в которой используется PML и автоматическое построение сетки на основе настроек физического интерфейса (physics-controlled mesh). Конечно-элементная сетка для геометрии автомобиля, построенная при использовании автоматического построения сетки на основе настроек физического интерфейса (physics-controlled mesh). Автомобиль окружен воздушной областью для расчета э/м волн в свободном пространстве и в т.ч. построения диаграммы излучения в дальней зоне для FM-антенны на заднем стекле. Идеально согласованные слои (PML) используются для эффективного ограничения расчетной области и избавления от нежелательных отражений.

Вы можете использовать все доступные в COMSOL Multiphysics®численные методы и решатели для решения комплексных электромагнитных уравнений, не жертвуя скоростью и точностью расчетов. Продуманный набор используемых по умолчанию решателей в модуле Радиочастоты гарантирует, что ваши исследования будут корректными, а проектирование построено на основе надежных и верифицированных расчетных схем.

Какие бы системы вы ни моделировали, вы можете выбрать необходимый тип исследования и изменить все связанные с ним настройки. Доступно проведение исследований на собственные значения, расчетов как в частотной области, так и непосредственно во временной области. В модуле Радиочастоты найдется решение для каждой вашей задачи моделирования.

Численные методы, доступные в модуле Радиочастоты:

  • Метод конечных элементов (МКЭ - FEM)
  • Для расчетов в частотной области
  • Для расчетов во временной области (неявный решатель)
  • Векторные/краевые элементы 1-го, 2-го и 3-го порядка, в т.ч. для учета кривизны поверхностей CAD-геометрий
  • Разрывный метод Галеркина (dG) на основе явного решателя
  • Решение уравнений дял линий передач в частотной области
  • Методики понижения порядка модели (Model order reduction)
  • Метод асимптотического анализа формы гармонического сигнала (AWE - Asymptotic waveform evaluation)
  • Модально-частотный анализ (Frequency domain modal)

Типы исследований, доступные в модуле Радиочастоты:

  • Исследование на собственные частоты
  • Резонансные частоты и добротность электронных компонентов
  • Расчет постоянных распространения и потерь в волноводах
  • Расчет в частотной области
  • Анализ частотных характеристик (АЧХ и ФЧХ) в заданном диапазоне
  • Прямое исследование во временной области
  • Нелинейные материалы и эффекты
  • Распространение СВЧ-сигнала и исследование отражений
  • Расчеты широкополосных систем
  • Динамическая рефлектометрия с временным разрешением (TDR - time-domain reflectometry)
Гармонический анализ модели делителя мощности Уилкинсона с помощью модуля Радиочастоты Норма электрического поля в делителе мощности Уилкинсона, полученная в результате исследования в частотной области.

Вы можете представить коллегам, заказчикам и руководителям результаты моделирования в привлекательной и наглядной форме , включая графики S-параметров, сложные визуализации диаграммы излучения в дальней зоне и диаграммы Смита. Красочные цветовые схемы и графики любых расчетных величин позволяют быстро интерпретировать результаты моделирования и привлекают к ним внимание. Какие бы исследования вы не проводили, эти возможности по визуализации помогут вашей группе быстро перейти к следующим этапам процесса разработки. Полученные в ходе расчётов данные также можно экспортировать для дальнейшей обработки в сторонних программах.

Did You Know? You can also create customized annotations within a plot of your results to ensure that important values are easy to see.

Инструменты постобработки в модуле Радиочастоты:

  • Матрицы S-параметров (матрицы рассеяния)
  • Диаграммы излучения в дальней зоне
  • Коэффициент усиления антенны
  • Эллиптичность антенны
  • Графики пользовательских выражений
  • Вычисление переменных, пользовательских функций, производных
  • Эффективная площадь рассеяния (RCS)
  • Диаграммы Смита
 

Подумайте, сколько времени и сил вы могли бы вложить в новые проекты, если бы вам не приходилось запускать одни и те же модели и проводить однотипные расчеты для других ваших коллег, менее знакомых с численным моделированием в целом и пакетом в частности. С помощью Среды разработки приложений, встроенной в программный пакет COMSOL Multiphysics®, вы можете создавать приложения для моделирования на основе моделей COMSOL, которые упрощают процесс моделирования, ограничивая изменение входных данных и контролируя выходные данные, выводя только нужные для конечного пользователя результаты. С ними ваши коллеги смогут проводить типовые расчеты самостоятельно.

Интерфейс приложений для моделирования (Simulation Apps) позволяет легко изменять конструкционные параметры или расчётные данные, например, коэффициент усиления или рабочую частоты для антенны, и следить за влиянием изменений, не проводя повторно процесс сборки и настройки всей модели. С помощью приложений вы можете ускорить процесс проведения своих собственных исследований. Кроме того, можно предоставить доступ к приложениям своим коллегам, чтобы они самостоятельно выполняли свои расчеты, освобождая ваше время и силы для других задач.

Рабочий процесс создания и использования приложений для моделирования очень прост:

  1. Создайте для вашей сложной СВЧ-модели простой пользовательский графический интерфейс (приложение)
  2. Настройте приложение для ваших нужд, выбирая нужные входные и выходные данные, которые будут доступны пользователям
  3. Используйте продукт COMSOL Server™ для удаленного хранения и систематизации приложений и предоставления к ним доступа вашим коллегам и/или заказчикам
  4. Ваши коллеги и/или заказчики смогут проводить заданные в приложении типовые расчеты и проекты без вашей помощи

Используя функционал приложений для моделирования вы сможете предоставить доступ к численным расчетам и проектированию вашим коллегам внутри отдела и ли лаборатории, всей организации целиком, студентам и аспирантам, клиентам и заказчикам.

Приложение для моделирования плазмонной проволочной дифракционной решетки, созданное в COMSOL Multiphysics. Пример приложения для моделирования плазмонной проволочной дифракционной решетки, размещенной на диэлектрической подложке. Приложение рассчитывает коэффициенты преломления, зеркального отражения и дифракции первого порядка в зависимости от угла падения.
Пользовательское приложение для моделирования, разработанное в COMSOL Multiphysics для расчёта  микрополосковой антенной решётки. Пользовательское приложение для моделирования, разработанное в COMSOL Multiphysics для расчёта микрополосковой антенной решётки. В графическом интерфейсе приложения отображается топология решетки и соответствующая ей диаграмма направленности. Пользователи с помощью данного приложения могут быстро и эффективно проектировать приемопередатчики для мобильных сетей стандарта 5G.

Разработка электроники для практических применений: микроволновых контуров, фильтров, антенн и метаматериалов

Чтобы радиочастотные изделия, устройства и компоненты надежно работали в реальных условиях, требуются реалистичные численные модели. Вы можете изучить, как несколько физических явлений влияют на исследуемую электродинамическую систему, используя программный пакет COMSOL Multiphysics® и модуль расширения Радиочастоты.

На большую часть радиочастотных компонентов и устройств влияют другие физические явления, такие как теплопередача, физика плазмы или механика конструкций. Для создания максимально точных моделей требуется одновременно учитывать все эти явления. Вы можете с легкостью сочетать все необходимые физические явления в одной программной среде для моделирования с помощью модуля расширения Радиочастоты пакета COMSOL Multiphysics®.

На ваш продукт влияют явления, относящиеся к другим разделам физики? Вы можете сочетать модуль Радиочастоты с любым модулем расширения или модулем интеграции LiveLink™ из программного пакета COMSOL, а все модули расширения полностью совместимы с базовой программной платформой COMSOL Multiphysics®. Таким образом, процесс моделирования остается тем же самым, какую бы прикладную физическую задачу вы ни решали.

Мультифизическая модель работы диэлектрического зонда, в которой представленная связка интерфейсов, описывающих физику теплопередачи и электромагнитных волн. Модель конического диэлектрического зонда, используемого для диагностики рака кожи, отличный пример сочетания интерфейсов для расчета распространения радиоволн (э/м явлений) и проведения теплового анализа. Осевая симметрия рассматриваемой задачи позволяет быстро рассчитать основную моду колебаний в круглом волноводе и характеристики излучения.
Мультифизическая модель перестраиваемого объемного резонатора, в которой представленная связка интерфейсов, описывающих физику микроэлектромеханических систем (МЭМС) и электромагнитных волн. Мультифизическая модель перестраиваемого объемного резонатора, в которой представленная связка интерфейсов, описывающих физику микроэлектромеханических систем (МЭМС) и электромагнитных волн. Модель демонстрирует, как механика конструкции пьезоэлектрического привода влияет и управляет резонансной частотой фильтра.

Следующий шаг:
Договоритесь о демонстрации
программного пакета

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию. Чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших задач, свяжитесь с нами. Обсудив это с одним из наших торговых представителей или менеджером по продажам, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.

Просто нажмите кнопку "Связаться с представителем COMSOL", укажите свою контактную информацию, замечания или вопросы и отправьте нам. В течение одного рабочего дня с вами свяжется наш торговый представитель или менеджер.