RF分析中的数值端口模式计算

2018年 10月 12日

使用COMSOL Multiphysics®软件中提供的数值端口功能和附加RF模块,可以通过边界模式分析以数值方式计算具有任意形状的端口模式。通过添加频域自适应频率扫描研究,可以获得 S参数史密斯图。数值端口还能使我们计算工作在横向电磁(TEM)模式下的传输线的特征阻抗。

入门:波导适配器示例

波导适配器的作用是最大限度减少工作频率的反射。下述波导适配器模型介绍了如何使用数值端口来计算这类适配器的散射参数(S参数)。在该示例中,适配器用于传播介于矩形和椭圆形波导之间的微波。
显示在COMSOL中建模的波导适配器中的波传播的图像。
“玫瑰之旅”:当未变形的波传播时,可以添加形状优美的等值面图来可视化电场分量。是否可以通过边界条件使任意形状的波导和传输线与所需模式完美匹配、激励和终止?

矩形端口(端口1)由横向电(TE)波激励,该横向电(TE)波在传播方向上不具有电场分量。选择激发频率使TE10模式是通过矩形波导的唯一传播模式。尽管端口1处的TE10模式的形状是解析已知的,但该模型使用了能处理具有任意形状的端口边界的数值端口。

波导的椭圆形端也使用数值端口(端口2)建模。此端口是被动的,但仍需要特征值分析来设置模拟的边界条件。由于数值端口的模式形状未知,因此每个端口都需要进行边界模式分析研究,然后进行频域研究。

在波导适配器模型中,可识别的频率范围在6.6 GHz和14.7 GHz之间,其中TE 10模式通过端口1激励。在频率为10 GHz下模拟电场的x分量和S参数,如下图所示。

 
A graph plotting the S-parameters in a waveguide adapter.

左边的动画显示了端口上和波导适配器内部传播电场的 x分量,频率为10 GHz。为达到可视化目的, zy -切面发生变形。垂直和水平箭头分别表示电场和磁场的方向和强度。右图显示了S11和S 21参数(以dB为单位)与频率的函数关系图。

S11参数描述了反射,S21参数测量了波导适配器在端口1被激励时通过端口2传输的波。注意:

  1. 如果要计算S参数,则不可能一次激励多个端口
  2. 我们必须为每个数值端口添加一个边界模式分析节点,无论它是否被激励,这将导致研究在模型开发器中节点下的“边界模式分析1,边界模式分析2,…,频域1,…”等研究序列

使用数值端口将电场分析为TEM模式

对于TEM波或准TEM波,到端口边界的电场法向分量(即与传播方向平行的纵向分量)可以忽略不计。这种情况下,数值端口可以选择将场作为TEM模式分析。

使用分离环谐振器模型的陷波滤波器中,裂环谐振器耦合到微带线,该微带线由数值TEM端口激励和终止。该电路用作陷波(也称为带阻)滤波器,能够抑制特定的信号频率范围。带阻频率接近2.4 GHz,如S参数图所示。
作为频率函数的S11和S21参数图。
S11和S21参数(以dB为单位)与频率的函数关系图。

有趣的是,在2.1 GHz(通带)和2.4 GHz(阻带)两个频率下传播的电场可视化结果如下图所示。

 

 

在2.1 GHz(左)和2.4 GHz(右)电场下的 z分量。-两个动画中的 xy-切面均已变形以用于可视化。

在此模型中,数值TEM端口用于通过选中“ 作为TEM场分析”选项来分析波传播。完成此操作后,端口模式场将按计算阻抗和参考阻抗的比率进行缩放。因此,我们必须在端口节点下定义电场和磁场积分线来计算特征阻抗。端口1 的“设置”窗口如下所示,端口2的积分线也可以类似的方式设置。

积分线的屏幕截图 COMSOL Multiphysics®中的电压设置。
用于数字端口分析的当前子功能的集成线的屏幕截图。

陷波滤波器模型中端口1的电压积分线(左)和电流积分线(右)子功能的设置窗口。

用模态分析计算特征阻抗

当波以TEM模式传播时,可以计算传输线的特征阻抗。案例库中提供的两个示例是同轴电缆传输线平行线传输线模型。横截面在二维中模拟。对于两个传输线示例,电压(V)计算为导体之间电场的线积分。电流(I)计算为沿着导体边界之一的磁场的线积分或任何将导体之间区域分成两部分的闭合轮廓的线积分。两个模型的积分线如下图所示。
两条传输线集成线的并排示意图模型。
特征阻抗计算为电压除以电流。要做到这一点,我们需要定义两个积分耦合算子,int_Eint_H,分别计算的电压和电流。定义如下表所示:

名称 表达式 单位 描述
V int_E( – emw.Ex*t1x – emw.Ey*t1y ) V 电压
I – int_H( emw.Hx*t1x + emw.Hy*t1y ) A 电流
Z V/I Ω 特征阻抗

这里,t1xt1y是沿积分边界的切向矢量分量(“1”指的是边界维度)。emw前缀给出了电场和磁场矢量分量的正确物理场接口范围。

对于三维模型,边界模式分析与数值端口结合用于分析端口边界。如上述二维模型所描述,通过计算沿着子功能定义的边界,如电压积分线电流积分线的电压与电流的比率来计算特征阻抗。

结语

本篇博文回顾了RF模块中使用数值端口功能的一般过程。通过端口功能中的数值类型功能,我们可以为任意形状的波导和传输线计算所需模式,以及激励和终止结构。为了找到模场,我们必须在执行频域研究之前为每个数值端口添加边界模式分析研究步骤,以计算S参数,无论端口是否被激励。此外,我们还演示了当波在TEM模式下传播时,使用边界模式分析研究结合数值端口计算特征阻抗的几个示例。在计算电压、电流和特征阻抗时,使用定义积分线的方法总结了两个典型的传输线示例。

下一步

点击下面的按钮,详细了解可用于RF模型分析的特性和功能:

您还可以在COMSOL博客上阅读有关在RF分析中使用数值TEM端口的更多信息。

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