如何在电磁仿真中适配真实世界

2015年 7月 1日

通过电磁仿真,我们最终希望能通过精密地模拟我们在真实世界中观察到的效应来提升设备效率及生产力。在这个过程中,您首先需要理解试图描述并模拟的真实情况,以及其中应加入的细节。我们将在博客中探讨测量环境内的真实电磁波。

在真实世界中测量电磁波

在表征用于发射电磁波的电子器件时,我们需要保证辐射波不会返回被测器件 (DUT)。当反射波叠加到原始波中时,会造成相位畸变,所以周围没有任何物体的无限空间是最理想的选择,这类环境中不存在由类似多径衰落等反射带来的影响。旷场最接近地球场景,但它仍会受到地面的显著影响。

旷场中的天线。
位于旷场中心的天线。图片由 Patty McAlpin 博士提供。在 CC BY-SA 2.0 许可下使用,通过 Wikimedia Commons 分享。

如果我们了解发射器与接收器之间的确切空间构型,并能确定只有地面会使电磁波发生扭曲,就可以通过网络分析仪的时窗特征移除多余的信号通路。但由于每次测试都需要把这台笨重的机器拖到旷场,所以它并非最理想的选择。作为替代方案,如果能在实验室内实现一个有效的无限空间,也就是全寂室,那将非常方便。全寂室的壁将吸收入射波,而且不会干扰 DUT。

全寂室中的天线。
全寂室中的天线测量。图片由 PromoMadrid 的 Max Alexander。在 CC BY-SA 2.0 许可下使用,通过 Wikimedia Commons 分享。

模拟全寂室

“借助周期性结构模拟 RF 全寂室”博客中,我们演示了如何借助 COMSOL Multiphysics 和 RF 模块设计微波吸波器。金字塔形的周期性损耗结构会逐渐减弱入射波,而且几乎不会产生反射,因此能将全寂室打造为一个无干扰的环境。

那么,我们能否利用这些吸波器来模拟全寂室中的天线呢?当然可以!

在全寂室中工作的微波吸波器。
全寂室内使用的常规微波吸波器。

我们放大了原始金字塔形对象的几何,通过调整吸波器的工作频率使其能结合调谐至 UHF 频段的双圆锥天线使用。金字塔形对象的尺寸与待测量波长成正比。

全寂室模型的开发步骤与开发真实全寂室类似。我们首先将创建一个 3.9 * 3.9 * 3.2 m 的空房间。外壁被完美电导体覆盖,以模拟厚度足以阻挡所有室外入射信号的导电层。六个壁面上均安装了吸波器。

我们在全寂室的中央设置了EMI/EMC 测试的双锥形天线教程模型。结果显示天线的性能类似于 App 库示例中的结果。下图较好地显示了电场大小的等值线图。

全寂室中双圆锥天线的电磁仿真。
全寂室中双圆锥天线的仿真。

由于全寂室的几何及尺寸都很复杂,所以我们需要 16 GB 的内存来运行仿真。不过,我们接下来介绍的方法将能简化这个过程。

更有效的建模方法

我的同事 Walter Frei 之前曾详细介绍过几种模拟开放边界域的方法,特别提到了完美匹配层和散射边界条件。我们可以借助完美匹配层 (PML) 在仿真环境中创建理想全寂室。

双圆锥天线的COMSOL Multiphysics 网格。
仿真中将双圆锥天线的框架作为边界模拟,同时还需要周围的空气域和完美匹配层。图中仅显示了一半的 PML 层。

本例中的工作频率为常规的 VHF 频段 (60 MHz – 240 MHz)。为了简化建模步骤并减少所需的计算资源,我们假定天线的框架结构是极薄的几何平面。由于给定频率范围内的厚度大于集肤深度,所以可以将该结构作为完美电导体模拟。

对于置于中央两个六边形框架结构的间隙,将其指定为一个参考阻抗为 50 Ω 的集总端口。天线由一个球形空气域环绕,空气域的最外层配置为 PML 层,负责吸收天线的所有外向辐射,同时作为仿真中的全寂室使用。

双圆锥天线中的电场分布。
70 MHz 频率下 yz 平面上的电场分布 (dB)。电场在整个天线结构中发生谐振。

双圆锥天线的电压驻波比。
电压驻波比 (VSWR) 图(y 轴采用了对数刻度);图片显示 VSWR 的均值近似于 3:1。

上图显示了电场的分布 (dB),并用箭头图绘制了电场在 70 MHz 频率下的方向性。当频率位于较低范围时,电场被限制在整个结构中。随着频率的增加,反应区会逐渐减小。因此,天线结构中会对电磁波产生响应的部分会沿集总端口的中央收缩。计算得到的 VSWR 平均值近似为 3:1,性能接近双圆锥天线商规产品的 EMI/EMC 测量结果。

双圆锥天线的三维远场模式。
70 MHz 下的三维远场模式,类似于典型半波偶极天线的模式。

三维远场辐射模式显示出与 H 平面相同的全向特征。根据建模配置建议,我们现在只需要不到 2 GB 的内存就能计算远场辐射模式及拥有轻量六边形框架的双圆锥天线的 VSWR 值。因此,与完整全寂室仿真相比,我们可以更轻松快速地完成模型设定。

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