数值 TEM 端口在模拟中的使用

2015年 3月 5日

COMSOL Multiphysics 5.0 版本针对传输线改进了“数值 TEM 端口”特征。本特征将二维模型中的阻抗计算应用于三维示例,通过该技术提升了功能。

从二维到三维:计算阻抗

研究传输线的行为时,经常要分析特征阻抗特征阻抗是指沿传输线传播的波的电压和电流之比。通过计算阻抗,设计人员能修改传输线以改进其传输功率,并减少信号反射。

案例库中包含了有关计算传输线结构中阻抗的示例,重点介绍了两类,同轴电缆平行导线传输

每个模型中的传输线都在 TEM 模式下工作,电场与磁场也都在电缆传播的法向方向。因此,模拟一个二维截面足以计算场与阻抗,模型通过模态分析研究特征来求解。这两个案例中,均将电压作为两个导体之间电场的线积分进行分析。同时,电流等于磁场沿导体边界、或任何切入导体间空间并将其分为两部分的闭合等值线的线积分。

模型显示了同轴电缆中的电场与磁场。
两条平行导线周围的电场与磁场。

在这些箭头图中,表面代表电场大小,箭头代表磁场大小。左图显示了同轴电缆内的场,右图显示了两条平行导线周围的场。

现在,数值 TEM 端口特征将二维模型中的阻抗计算求解技巧拓展到了三维空间。再加上 COMSOL Multiphysics 5.0 版本中新增的设定和子特征,本特征现可用于计算三维模型中的阻抗。

数值 TEM 端口使用示例

使用开口谐振环的陷波滤波器模型简要介绍了数值 TEM 端口的使用。模型包括一个耦合至微带线的开口谐振环。线圈整体作为陷波滤波器或带阻滤波器使用。

线圈几何示意图。
线圈示意图。

为了实现带阻滤波器的响应,开口谐振环部分靠近且耦合到微带线中。印刷开口谐振环位于接地面,具有多个谐振模式。在本例中,我们对接近 2.4 GHz 的频率感兴趣。模型的金属部分处理为完美电导体,模型域中除接地面外的其他外部边界均采用了散射边界条件。其余部分处理为一个真空域。

微带线各端的每个表面均增加了一个数值端口。这些端口被设计为根据边界模式分析来计算结构上的电模式场。选择数值端口设定中的‘作为 TEM 场分析’。该设定要求定义电场与磁场的积分线,以便计算端口的电压与电流。从这些积分线中得到的信息随即用于计算端口的特征阻抗。

计算阻抗与参考阻抗的比率用于表征端口模场。电场存在于两个导体之间,场分量位于传播方向,端口边界法向的场分量可忽略。因此,端口模式可作为横向电磁波 (TEM) 场分析。

下方的第一张图显示了 xy 面上的电场模。绘图显示了所感兴趣的频率(2.4 GHz)下电场沿开口谐振环的对称性约束。

开口谐振环的电场模。
电场模的模型突出了 2.4 GHz 下电场沿开口谐振环的对称性约束。

下一张图展示了器件的频率响应。我们观察到该器件的行为相当于一个带阻滤波器,在 2.4 GHz 附近,S11 接近 0 dB,S21 小于 -10 dB。

频率响应绘图。
该器件的频率响应绘图显示,他确实可以作为一个高效的带阻滤波器。

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