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 »

MRI Tumor-Tracked Cancer Treatment

Picking the Pattern for a Stealth Antenna

Scattering of Electromagnetic Waves by Particles

Nanoresonators Get New Tools for Their Characterization

Analysis of Spiral Resonator Filters

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

Developing a New Microreactor for Organic Synthesis Using Microwave Heating

Dipole Antenna

RF Heating

Log-Periodic Antenna for EMI/EMC Testing

Absorbed Radiation (SAR) in the Human Brain

Frequency Selective Surface, Periodic Complementary Split Ring Resonator

Plasmonic Wire Grating

Corrugated Circular Horn Antenna

Slot-Coupled Microstrip Patch Antenna Array Synthesizer

A SMA Connector on a Grounded Coplanar Waveguide

Second Harmonic Generation of a Gaussian Beam