Радиочастоты

Оптимизация устройств микроволнового и миллиметрового диапазона

Модуль «Радиочастоты» позволяет инженерам и учёным исследовать процессы распространения и рассеяния электромагнитных волн и резонаторные СВЧ-устройства. Его использование позволить анализировать и прогнозировать поведение систем радиочастотного, микроволнового и миллиметрового диапазона длин волн.

Проектировщики и разработчики СВЧ-устройств должны быть уверены, что используемые электромагнитные волновые 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 моделирование, которое позволяет учитывать такие эффекты, как нагрев, механические деформации и потоки жидкостей или газов.

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

Связаться с COMSOL
Автомобиль в куполообразной безэховой камере, визуализация с помощью цветовой схемы Thermal Wave.

Модуль «Радиочастоты» — технологии моделирования сегодняшнего и завтрашнего дня

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 (IoT) 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.

Исследования и решатели для СВЧ-моделирования

В модуле «Радиочастоты» в первую очередь собраны надёжные и верифицированные расчётные схемы на основе метода конечных элементов (FEM). Продуманный набор используемых по умолчанию решателей гарантирует, что ваши исследования и их результаты будут корректными и репрезентативными. FEM-формулировка используется для расчётов в частотной и временной областях, применяется т.н. векторная дискретизация 1, 2 или 3-го порядка, которая в т.ч. адаптируется под криволинейность CAD-геометрии. При построении сетки можно использовать тетраэдры, хэксы, призмы и пирамиды, а также проводить автоматическое построение и сгущение сетки.

В рамках исследования в частотной области для заданного диапазона частот вы сможете на выходе определять резонансные частоты, S-параметры, характеристики в ближней и дальней зоне, в т.ч. для антенн, добротности, константы распространения и т.п. В ряде случаев за счет техник понижения размерности, таких как модальная суперпозиция и асимптотического расчета волновых форм (AWE), можно увеличить эффективность свипов по частоте. В рамках исследования во временной области, вы получите возможность анализировать нелинейные эффекты и материалы, распространение сигнала и времяпролетные характеристики, проводить расчёты широкополосных импульсов и динамическую рефлектометрию.

Доступны также дополнительные подходы для упрощенного описания линий передачи, добавления сосредоточенных электрических цепей, оценки асимптотического рассеяния, расчётов во временной области с помощью явной временной схемы, а также в частотной области с помощью метода граничных элементов (BEM).

Типовые области применения модуля «Радиочастоты»

Примеры задач радиофизики, которые могут быть решены в программе COMSOL®.

Визуализация гексагональной антенной решетки.

Антенные и фазированные решетки

Расчёт мощности, направленности, коэффициента усиления и других х-к в дальней зоне для антенных решеток.

Визуализация СВЧ-переходника от полого к микрополосковому волноводу: показана поляризация волны.

Линии передачи и волноводы

Исследование микрополосковых, копланарных, интегральных и других типов волноводных структур.

Визуализация электрического поля на поверхности делителя мощности Уилкинсона.

Переходники и делители мощности

Вычисление S-параметров и анализ согласования, изоляции и передаточных х-к коннекторов и делителей мощности.

Электрическое поле на поверхности печатной платы.

EMI/EMC тестирование

Исследование электромагнитного шума (EMI) и электромагнитной совместимости (EMC), в т.ч. наводок и экранирования.

Визуализация микрополоскового ферритового циркулятора.

Устройства на основе ферримагнетиков

Микроволновые компоненты на основе ферритов, в т.ч. резонаторы и циркуляторы.

Визуализация электрического поля в фильтре с SMD-компонентами.

Фильтры

Расчёт микрополосковых, копланарных и полых резонаторных фильтров с учётом сопряженных тепловых, механических и прочих эффектов.

Распределение температуры в объекте, помещённом в СВЧ-печь.

Микроволновые печи

Сопряжение полноволнового электромагнитного расчёта в частотной области и теплового анализа в динамике.

Визуализация распределения магнитного поля в МРТ-камере.

Биомедицина и МРТ

Мультифизические исследования микроволновой терапии, имплантируемых СВЧ-устройств и МРТ/ЯМР-систем.

Рассеяние э/м поля на идеально проводящей сфере.

Задачи рассеяния и ЭПР

Определение эффективных поверхностей рассеяния (ЭПР) и других х-к с помощью полноволновых и асимптотических методик.

Электрическое поле в уникальной ячейке ЧСП со структурой типа "разомкнутое кольцо".

Частотно-селективные поверхности

Моделирование прохождения, отражения и дифракции в периодических решетках и частотно-селективных структурах.

СВЧ- и микроволновый нагрев

Микроволновый нагрев используется в пищевой и медицинской промышленностях, его оценка важна при производстве излучателей и мобильных устройств. Компоненты для сетей 5G генерируют больше тепла, чем устройства прошлых поколений, что требует детального исследования тепловых эффектов при разработке радиофизических устройств. В модуле «Радиочастоты» доступны инструменты для расчета э/м нагрева и теплопередачи в твердых телах с учётом конвекции и зависимости свойств материала от температуры. При наличии модуля «Механика конструкций» или модуля «MEMS» вы сможете исследовать термические деформации и напряжения в электронных компонентах. При наличии модуля «Теплопередача» вы также сможете учитывать теплообмен излучением в своих расчётных моделях.

Антенны и излучение

В программе доступен мощный функционал для исследования излучателей, антенн и антенных решеток. На выходе будут доступны данные по направленности, коэффициенту усиления и прочим характеристикам в ближней и дальней зоне. Условия типа Port позволят рассчитывать рассогласования, импеданс и S-параметры таких устройств.

Если излучатель имеет осевую симметрию, то использование двумерной осесимметричной постановки позволит значительно ускорить расчёт без потери точности.

Явное моделирование антенных решеток требует серьезных вычислительных ресурсов. Вы можете упростить расчёт и сэкономить время, используя специальные выражения для оценки диаграмм направленности фазированных решеток на основе расчёта её уникальной ячейки.

Для решения задач рассеяния доступна специальная формулировка, которая позволяет задать падающую волну как фоновое поле и рассчитать характеристики рассеяния. Доступно задания в качестве фонового поля волны с линейной поляризацией, гауссова пучка и пользовательских выражений.

Для описания открытых границ можно использовать специальный инструмент PML — идеально согласованные слои, в которых поглощается выходящее излучение в широком диапазоне частот и углов падения.

Основные функциональные возможности модуля «Радиочастоты»

Ниже систематизированы и описаны ключевые инструменты модуля «Радиочастоты» для типовых областей его применения.

Скриншот дерева модели. Выбран интерфейс Electromagnetic Waves, Frequency Domain, в графическом окне визуализирована модель дипольной антенны.

Встроенные физические интерфейсы

Для указанных выше расчётов в модуле «Радиочастоты» доступен целый ряд т.н. физических интерфейсов, для которых заданы CAD-заготовки, набор условий на домены, моделей материалов, специализированных граничных и начальных условий, предустановленные настройки сетки и исследования, а также графики и операции вычисления в постобработке. Все эти узлы доступны в UI COMSOL Multiphysics®, в т.ч. их можно редактировать.

Скриншот интерфейса ПО: визуализация модели делителя мощности Уилкинсона, в которой используются заготовки коннекторов.

CAD-импорт и библиотека заготовок

С помощью модуля «CAD-импорт» вы можете импортировать геометрии из сторонних CAD-программ для последующего СВЧ-анализа. В программе доступны инструменты для их исправления и упрочения для целей эффективного построения сетки и последующего численного моделирования. Модуль «CAD-импорт и CAD-операции» помимо это позволяет использовать дополнительные продвинутые геометрические операции типа: лофтинга, построения галтелей и фасок, создания твердотельных объектов за счет утолщения поверхностей и создания поверхностных объектов, совпадающих со средним сечением твердотельных объектов.

При построении геометрий непосредственно в COMSOL Multiphysics® вы можете использовать т.н. библиотеку заготовок Part Library модуля «Радиочастоты», в которой содержится ряд параметризованных объектов типа коннекторов, волноводов и SMD-компонентов. В этих заготовках предусмотрены необходимые элементы для задания проводящих границ и прочих настроек физических интерфейсов.

Скриншот интерфейса ПО: визуализирован одномерный график временного отклика в графическом окне.

Конвертация данных между частотной и временной областями

Расчёты во временной области эффективны например при численном моделировании динамической рефлектометрии и задач целостности сигнала, однако типовые радиофизические приложения предполагают использование данных в частотной области, в т.ч. S-параметров. В этом случае вы можете конвертировать результаты расчёта в частотной области с помощью солвера для быстрого Фурье преобразования (FFT). Такой подход позволит удобным образом на основе временных откликов идентифицировать разрывы и рассогласования импеданса в линии передач.

Расчет в частотной области широкополосных устройств может быть достаточно времязатратным. В этом случае можно наоборот провести исследование во временной области и конвертировать данные в частотную с помощью аналогичного солвера (FFT) и автоматически получить S-параметры и характеристики в дальней зоне.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен узел Thermal Expansion, в графическом окне показана модель каскадного резонаторного фильтра.

Сопряжённые мультифизические расчёты

Для реалистичных расчётов современных радиофизических устройств вы можете использовать совместно инструменты модуля «Радиочастоты» и других расширений программы. Сопряженный тепловой и прочностной анализ важен при проектировании фильтров. Например, резонаторные фильтры включают как металлические, так и диэлектрические компоненты. Проводимость металлизации, а следовательно и уровень потерь в системе, зависит от температуры. Рассеяние мощности в тепло приводит к нагреву, который в свою очередь вызывает термические деформации. Такие эффекты обуславливают сдвиг рабочих х-к СВЧ-устройства, который может быть учтён в рамках мультифизического расчёта.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выбран узел Perfectly Matched Layer, в графическом окне визуализирована модель расчёта влияния антенны на ткани головы человека.

Граничные условия

Для высокоточного моделирования э/м волновых процессов требуется большой набор граничных условий, позволяющих описывать металлические поверхности, открытые задачи, периодичность и т.п.

Список ключевых ГУ, доступных в модуле «Радиочастоты»:

  • Идеальные электрические и магнитные проводники (PEC & PMC)
  • Импеданс (граница с конечной проводимостью)
  • Трансферный импеданс (тонкий проводящий слой или набор слоев)
  • Условия периодичности (в т.ч. по Флоке)
  • Поглощающие границы
  • Сосредоточенные элементы (Ёмкости, индукторы, резисторы)
  • Порты
    • Для прямоугольных и круглых волноводов
    • Для коаксиальных кабелей
    • С предварительным расчётом профиля и х-к моды (Numeric)
    • Для возбуждения TEM-мод в сечении
    • Сосредоточенные
    • Двух- и трёх- портовые системы, описываемые через Touchstone-файлы
Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен узел Materials и открыто окно Add Material, где продемонстрирована библиотека СВЧ-материалов.

Свойства материалов

Вместе с модулем «Радиочастоты» поставляется библиотека материалов с данными по свойствам диэлектрических подложек, которые активно используются при проектировании устройств СВЧ, микроволнового и миллиметрового диапазонов. Так, в ней представлены материалы следующих производителей:

  • Rogers Corporation
  • Isola Group
  • Avient Corporation

При настройке модели вы можете задавать как линейные и изотропные свойства, так и неоднородные, анизотропные, нелинейные и дисперсионные соотношения. Такие свойства как относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости могут быть заданы как комплекснозначные числа или выражения. Также можно использовать готовые модели материала с заданием тангенса угла потерь, дисперсии по Друде-Лоренцу или Дебаю или нелинейных свойств ферритовых материалов.

Скриншот интерфейса ПО: В дереве модели выделен график с диаграммой Смита, он же показан в графическом окне.

Визуализация и экспорт данных

После проведения расчётов вы можете использовать предустановленные графики для визуализации распределений электрических и магнитных полей, S-параметров, потока мощности, потерь, характеристик в дальней зоне и диаграмм Смита. S-параметры можно экспортировать в Touchstone-формате.

Вы также можете выводить в виде графиков или таблиц любые пользовательские выражения.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выбран подузел Diffraction Order, в графическом окне визуализирована модель гексагональной дифракционной решетки.

Периодические структуры

Периодические решётки — базовый элемент многих устройств типа радаров, систем получения изображения, 5G-устройств. Инструменты модуля «Радиочастоты» позволяют эффективно и успешно моделировать такие системы, описывая уникальные ячейки с периодическими условиями по Флоке на границах и возможностью учёта высших дифракционных порядков на отражение и прохождение.

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию.

Свяжитесь с нами, чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших инженерных или научных задач. Обсудив основные аспекты с одним из наших менеджеров, 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 COMSOL", укажите свои контактные данные, сформулируйте вопросы и отправьте нам эту заявку. Наша цель — ответить вам в течение одного рабочего дня!

Следующий шаг

Запрос информации о программе

Все продукты