RF 模块

微波和 RF 设计

RF 模块

通过在空腔内添加一个结构来实现渐逝模腔体滤波器,该结构会改变谐振频率,使之低于未填充型腔体的主导模式的谐振频率。使用压电执行器来控制空气间隙的大小,调节谐振频率。

微波和 RF 设计的可视化预测

RF 和微波器件的设计人员可以使用 RF 模块来设计天线、波导、滤波器、电路、空腔和超材料。通过快速精确地仿真电磁波传播和谐振,工程师们能够计算电磁场分布、传输、反射、阻抗、Q 因子、S 参数和功率耗散等参数。仿真可以降低您实验的成本,并且能够评估和预测无法在实验中直接测量的物理效应。

与传统的电磁模拟相比,您还可以扩展模型应用,从而可以考虑诸如升温、结构形变和流体流动之类的效应。在电磁器件仿真时可以将多个物理效应耦合在一起,从而考虑所有添加的物理场之间的相互作用。

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求解器算法

RF 模块的底层方程基于有限元方法求解。Maxwell 方程使用有限元方法,通过数值稳定的边单元(也称为矢量单元)结合最先进的算法(对产生的稀疏方程组进行预处理和迭代求解)进行求解。迭代求解器和直接求解器均可以在多核计算机上并行运行。集群计算可用于:频率扫描,这些频率被分布在集群内的多台计算机上,从而可以实现极快速计算;或使用直接求解器配合分布式内存 (MPI) 来求解大型模型。

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  • 天线模拟:RF 模块双臂螺旋天线示例模型 天线模拟:RF 模块双臂螺旋天线示例模型
  • 电磁场仿真:通过稳态与频域电磁分析计算分布热源。之后进行瞬态传热仿真,计算微波炉内食品中热量的重新分布。 电磁场仿真:通过稳态与频域电磁分析计算分布热源。之后进行瞬态传热仿真,计算微波炉内食品中热量的重新分布。
  • 电磁波:入射在金线光栅上的斜 TM 波。线条表示周期性结构的单元体。 电磁波:入射在金线光栅上的斜 TM 波。线条表示周期性结构的单元体。
  • 微带天线设计:微带贴片天线的辐射图,以及三维、二维和三维截面的快速远场图。 微带天线设计:微带贴片天线的辐射图,以及三维、二维和三维截面的快速远场图。

电磁仿真的分析模式

控制方程

RF 模块可以仿真三维、二维和二维轴对称电磁场,以及一维的传输线方程,并且可以使用 SPICE 网络表进行电路(无维度)模拟。三维模型基于 Maxwell 方程的全波形式,使用矢量边单元,并包含用于模拟介电、金属、分散、损耗、各向异性、旋光和混合介质的材料属性关系。二维模型可以并行或独立求解面内和面外偏振,以及求解面外传播。二维轴对称模型可以并行或独立求解方位角和面内场,以及求解已知的方位角模式数。

场公式

软件含有全波和背景波公式。全波公式求解模型中包含的所有源项产生的总场,而背景波公式则假定来自外部源项的已知背景场——这是表示雷达截面和电磁波散射模型的常用方法。

边界条件

边界条件可用于模拟完美导电导体表面、有限电导率表面,以及有损薄层内部边界。对称边界和周期边界条件可以模拟整个模型空间中的任一单元,而散射边界条件和完美匹配层 (PML) 则用于模拟自由空间的边界。模块含有各种用于模拟端口的不同激励边界条件:矩形、圆形、周期性、同轴、近似集总、用户定义的,以及精确数值计算的端口激励。您可以添加表示电缆终端以及集总电容、电感和电阻元件的边界条件。此外,线电流和点偶极子还可用于快速原型设计。

解类型

仿真可以设置为特征值问题、频域问题或完全瞬态问题。特征值问题可以找到结构的谐振频率和 Q 因子,以及波导中的传播常数和损失。频域问题可以计算单一频率下或一系列频率下的电磁场。在计算某个频率范围内的过程时,快速频率扫描(使用 Padé 逼近方法)可以显著减少求解时间。瞬态仿真可用于二阶全波矢量法,也可用于内存使用效率更高的一阶间断 Galerkin 法。瞬态仿真用于模拟非线性材料、信号传播与返回时间,以及模拟极宽波段行为。

多物理场耦合

在 COMSOL Multiphysics 中开发的所有模型公式可以完全耦合,从而使电磁场可以影响任何其他物理场,也会受任何其他物理场影响。特别是,微波加热专用接口除了具有传统的功率沉积功能,还扩展了其它的功能,例如 SAR 计算和精确升温预测。通过在频域求解 Maxwell 方程,在稳态或时域求解传热方程,可以计算随时间推移发生的升温,以及计算不同材料属性对于温度的影响。

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微波和 RF 仿真的扩展结果

计算结果一般使用预定义绘图表示,可以描述电场与磁场、S 参数、功率流和损耗等。快速后处理工具可以快速生成远场辐射图。此外,您也可以使用自定义物理量的表达式绘图,或仿真结果的列表派生值来表示结果。S 参数矩阵可以导出为 Touchstone 格式,并且所有数据都可以导出为表、文本文件、原始数据和图像等格式。

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建模流程简单明了,主要包括以下步骤:通过 COMSOL 本地工具或 CAD 模型导入来创建几何、选择材料、选择适合的用户接口和分析类型、定义端口和边界条件、自动创建有限元网格、自适应网格求解、可视化,并对结果进行后处理。所有步骤均从 COMSOL Desktop® 中执行。在求解步骤,软件自动选择的缺省求解器会针对每个特定 RF 接口进行调整,但也可以使用自定义的设置。

RF 和微波设计的示例模型

RF 模块案例库通过教程和基准模型来描述接口功能及其独特特性。模型库包含了天线、铁氧体器件、微波加热、无源器件、散射和雷达截面 (RCS) 分析、RF 和微波工程中的传输线和波导等方面的模型,以及培训教程模型,还有用于验证 RF 接口的基准模型。

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