RF 模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.3 版本针对“RF 模块”的用户引入了用于模拟 RF 设备的“零件库”、新增了集总元件 边界条件的扩展选项以及用于瞬态仿真的 S 参数计算。请阅读以下内容,进一步了解“RF 模块”的所有更新。

新增 RF 零件库

“RF 模块”现在引入了由许多标准零件或几何组成的“零件库”,这些零件或几何有助于对大型 RF 设备中的 RF 组件进行建模。零件库中的每个零件都具有可控参数和预定义的选项,用户可根据需要更改其几何配置、RF 设备设计、几何相关材料属性以及求解器设置。

RF 零件包括:

  • 36 个矩形波导(包括直线类型、90 度弯曲类型以及 H 形弯曲类型)
  • 22 个表面贴装器件封装
  • 3 个 SMA 连接器(4 个孔、2 个孔及垂直安装)
包含 COMSOL 软件 5.3 版 RF“零件库”中两个 SMA 连接器的模型。 通过 50 欧姆弯折型微带线连接的两个 SMA 连接器(4 个孔且垂直安装)。 通过 50 欧姆弯折型微带线连接的两个 SMA 连接器(4 个孔且垂直安装)。

带有扩展选项的增强型集总元件特征

集总元件 边界条件已通过其“设置”窗口中集总元件设备 栏的附加选项得到了改进。在新版本中,用户不仅可以将单个集总元件(电感器 (L)、电容器 (C)、电阻器 (R) 或 复数阻抗 (Z))配置为设备边界条件,还可以组合涉及集总元件参数的多个元件,例如,串联 LC并联 LC串联 RLC并联 RLC 集总元件。


有关使用新的集总元件选项的示例,请访问以下“案例库”路径:
RF_Module/Filters/lumped_element_filter

使用 Touchstone 文件导入的高级二端口网络建模

Touchstone 文件根据 S 参数描述 n 端口网络电路的频率响应。通过数值仿真或网络分析器测量获得的 Touchstone 文件可以通过二端口网络 边界条件包含在 COMSOL Multiphysics® 仿真中,在二端口网络“设置”窗口中选择 Touchstone 文件 作为 S 参数定义的类型即可实现,无需构建复杂的电路形状。


有关使用 Touchstone 文件导入特征的示例,请访问以下“案例库”路径:
RF_Module/Filters/two_port_network_touchstone

表面磁流密度

新的表面磁流密度 边界条件已添加到电磁波,频域 接口,并指定了外部和内部边界的表面磁流密度。通常,磁流密度通过三维矢量描述。不过,由于磁流密度沿表面流动,为实现更高效的建模,可以通过其他方式对其进行描述。为此,COMSOL Multiphysics® 软件将磁流密度投影到一个边界表面上,而忽略其法向分量。此版本中提供的这一新边界条件可用于模拟电偶极子等特殊的模拟情况。

使用“表面磁流密度”边界条件的模型示例。

使用 电磁波,频域接口中 表面磁流密度边界条件的情况下,圆柱形线圈上的表面磁流密度(蓝色箭头)。电场图(锥形)类似于短偶极天线。

使用 电磁波,频域接口中 表面磁流密度边界条件的情况下,圆柱形线圈上的表面磁流密度(蓝色箭头)。电场图(锥形)类似于短偶极天线。

根据瞬态仿真计算 S 参数

用户现在可以通过两步时域分析来计算电路的频域 S 参数,这对于计算频率分辨率较高的宽带频率响应很有用。首先使用瞬态物理场接口构建模型,然后对其结果进行时频快速傅立叶变换 (FFT)来计算 S 参数。

实际操作时,您可以使用电磁波,瞬态 接口,通过集总端口引入瞬态 研究步骤,然后使用时域到频域 FFT 研究步骤,对第一个研究步骤所得结果的进行快速傅里叶变换。


有关使用“时域到频域 FFT”根据瞬态仿真计算 S 参数的示例,请访问以下“案例库”路径:
RF_Module/Filters/coaxial_low_pass_filter_transient

教学模型更新:使用集总元件的低通滤波器

如果设备的工作频率和集总元件的插入损耗都较低,则可以使用集总元件特征来设计无源器件。该示例模拟与集总端口类似的两种类型的集总元件滤波器,不同之处在于它们是严格无源的,并且具有预定义的电感和电容选择。

案例中首先计算了包含五个元件的最大平坦低通滤波器的频率响应,来展示其在预计频率的截止。每个元件(表面贴装器件,SMD)的几何结构都简化为二维边界,并且使用电磁波,频域 接口中的集总元件 边界条件对电性能进行建模。然后,在相同频率范围内模拟从低通滤波器设计变换的带通滤波器。两个滤波器模型都计算了 S 参数和电场分布。

使用“RF 模块”创建的带注释的 SMD 电感器模型。 0402 表面贴装器件 (SMD) 电感器和电容器使用二维边界上的集总元件特征进行建模。 0402 表面贴装器件 (SMD) 电感器和电容器使用二维边界上的集总元件特征进行建模。

如需“集总元件低通滤波器”教学模型,请访问以下“案例库”路径:
RF_Module/Filters/lumped_element_filter

新教学模型:吸波暗室吸收电磁波

吸波暗室用于测量天线特性、电磁干扰 (EMI) 和电磁兼容性 (EMC),其内部有吸收器,在吸收器上配置有金字塔形对象阵列,可将传播的入射场引导至相邻的吸收器。通过吸收吸波暗室内的电磁波并阻止来自外部的输入信号,将产生一个几乎没有内部反射的虚拟无限空间,而且不会受到任何不希望的外部 RF 噪声的影响。

该模型模拟通常用于 EMI 和 EMC 测试的双锥形天线,它位于小型吸波暗室的中心。计算出的远场辐射图和 S 参数 (S11) 表明,微波吸收器可以显著减少壁反射,但不会影响天线性能。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本新引入的吸收电磁波的消声室。

在一个小房间 (3.9x3.9x3.3 m) 内构建的最先进的吸波暗室,由薄导电壁上的微波吸收器组成。显示 ZX 平面上电场分布的云图。电场在吸收器附近明显衰减。

在一个小房间 (3.9x3.9x3.3 m) 内构建的最先进的吸波暗室,由薄导电壁上的微波吸收器组成。显示 ZX 平面上电场分布的云图。电场在吸收器附近明显衰减。

如需“吸波暗室”教学模型,请访问以下“案例下载”链接:
RF_Module/EMI_EMC_Applications/anechoic_chamber

新教学模型:双脊喇叭天线

由于其在宽带频率范围内的可靠性能,双脊喇叭天线在吸波暗室中广泛用于表征被测天线 (AUT),从 S 波段到 Ku 波段。该教学模型模拟双脊喇叭天线,并计算电压驻波比 (VSWR)、远场辐射图和天线方向性。

案例中,集总端口被分配在同轴连接器末端内导电表面与外导电表面之间的边界上。空气域的最外层配置为完美匹配层 (PML),模拟真实的全寂室中会发生的来自天线的所有输出辐射的吸收。网格由电磁波,频域 接口基于每个仿真频率动态地控制。

COMSOL 双脊喇叭天线教学模型。 由同轴端口激励的双脊喇叭天线。该图像显示三维远场辐射图(热色图)、电场方向(箭头图)及其在光圈和脊上的强度(彩虹色图)。 由同轴端口激励的双脊喇叭天线。该图像显示三维远场辐射图(热色图)、电场方向(箭头图)及其在光圈和脊上的强度(彩虹色图)。

如需“双脊喇叭天线”教学模型,请访问以下“案例库”路径:
RF_Module/Antennas/double_ridged_horn_antenna

新教学模型:传输线低通滤波器的快速建模

设计滤波器的一种方法是使用众所周知的滤波器原型(例如,最大平坦或等波纹低通滤波器)的元素值。由于很难找到与滤波器原型的频标元素值完全匹配的现成的电容器和电感器,在微波基板上制造分布式元件滤波器比集总元件滤波器常常更为容易。

该教学模型演示使用理查德变换、科罗达等效以及传输线 接口设计分布式元件滤波器的过程。与在三维中求解麦克斯韦方程相比,这种方法非常快。该模型模拟在 4 GHz 时具有截止频率的三元件 0.5 dB 等波纹低通滤波器。得到的 S 参数图显示低通频率响应,这在较高频率范围内也能定期观察到。


如需“传输线低通滤波器”快速建模的教学模型,请访问以下“案例库”路径:
RF_Module/Filters/transmission_line_lpf

新教学模型:传输线 Wilkinson 功率分配器的快速建模

一些传统的三端口功率分配器是电阻功率分配器和 T 形功率分配器。这种分配器都是有损耗的,或者并非与所有端口的系统参考阻抗都匹配。此外,不能保证两个耦合端口之间的隔离。Wilkinson 功率分配器优于无损 T 形分配器和电阻分配器,而且不存在上述问题。

该示例模型使用二维中的传输线 接口模拟 Wilkinson 功率分配器。与在三维中求解麦克斯韦方程相比,这种方法非常快。结果显示从 1 GHz 到 5 GHz 的 S 参数,以及沿传输线的电势分布。

传输线 Wilkinson 功率分配器教学模型的快速建模图。 当端口 1 受激励时,端口 2 与端口 3 之间的输入电压均匀分布 (-3 dB)。 当端口 1 受激励时,端口 2 与端口 3 之间的输入电压均匀分布 (-3 dB)。

如需“Wilkinson 功率分配器”教学模型,请访问以下“案例库”路径:
RF_Module/Couplers_and_Power_Dividers/transmission_line_wpd

新教学模型:巴特勒矩阵波束成形网络的快速原型设计

巴特勒矩阵是一种无源波束成形馈电网络。对于相控阵天线来说,这是一种极具成本效益的馈电网络,因为电路可以以微带线形式制造,并且是可在不部署昂贵的有源器件的情况下执行波束扫描的一个可行解决方案。

该示例演示如何使用传输线 接口设计这样一个电路。结果显示巴特勒矩阵波束成形电路在 30 GHz 时的对数电压,以及每个输出端口处的算术相位级数。

端口 5 端口 6 端口 7 端口 8 相位级数

端口 1 激励

-90° -135° -180° 135° -45°

端口 2 激励

-180° -45° 90° -135° +135°

端口 2 激励

-135° 90° -45° -180° -135°

端口 4 激励

135° -180° -135° -90° +45°
具有不同端口激励的微带贴片天线阵列模型四个视图的拼贴。 连接到巴特勒矩阵波束成形网络的 4x1 微带贴片天线阵列的三维远场辐射图。该图像按相位级数排序(由负到正)。此示例中不包含天线模型。 连接到巴特勒矩阵波束成形网络的 4x1 微带贴片天线阵列的三维远场辐射图。该图像按相位级数排序(由负到正)。此示例中不包含天线模型。


如需“巴特勒矩阵波束成形网络”教学模型,请访问以下“案例库”路径:
RF_Module/Couplers_and_Power_Dividers/transmission_line_butler

新教学模型:同轴低通滤波器的时频快速傅立叶变换

在该示例模型中,为了实现低通频率响应,填充空气的同轴电缆调谐成五个环形圈(虹膜),并添加到导体外壁,模拟一个二维轴对称、相对宽带同轴低通滤波器。为了以细化频率分辨率解决宽带频率响应,该模型首先通过瞬态物理场接口构建,然后使用“时域到频域 FFT”计算 S 参数。计算得出的 S 参数显示低通频率响应,截止频率约为 24.5 GHz。


使用 COMSOL Multiphysics 和“RF 模块”创建的同轴低通滤波器模型。 电场模分布的云图和 10 GHz 时的时均功率流箭头图。 电场模分布的云图和 10 GHz 时的时均功率流箭头图。

如需“同轴低通滤波器的 FFT”教学模型,请访问以下“案例库”路径:
RF_Module/Filters/coaxial_low_pass_filter_transient

新教学模型:经 Touchstone 文件导入 S 参数的滤波器

Touchstone 文件根据 S 参数描述 n 端口网络电路的频率响应,可以用于简化任意复杂的电路。Touchstone 文件可以通过数值仿真或网络分析器测量获得,所得的二端口网络的文件随后可以包含在仿真中,而无需构建复杂的电路形状。

在该示例中,使用二端口网络特征和经 Touchstone 文件导入的 S 参数对两个同轴连接器之间的低通滤波器建模。结果包含同轴连接器内的电场分布和 S 参数。

通过 Touchstone 文件(而不是包含电路几何)来表征滤波器的说明。 蓝色框内的电路几何不包含在模型中,其特征在于 Touchstone 文件。 蓝色框内的电路几何不包含在模型中,其特征在于 Touchstone 文件。

如需“经 Touchstone 文件导入的 S 参数”教学模型,请访问以下“案例库”路径:
RF_Module/Filters/two_port_network_touchstone

新教学模型:利用时域反射法进行高速互连调优

在信号完整性 (SI) 应用中,时域反射法 (TDR) 是一项有用的技术,可通过观察反射信号强度来分析信号路径中的不连续性。如果没有外部噪声源、串扰或不需要的耦合,反射信号对输入脉冲的影响主要来自于阻抗失配。

在本例中,在经金属通孔分层连接的微带线上输入一个迅速启动的阶跃函数。标识信号路径不连续性,并根据 TDR 阻抗计算调整电路以降低失真程度。

通过金属化通孔连接的两条微带线的模型。 多层电路板上的微带线,其中每个介电层都使用 20 密耳微波基片。具有防爆垫的接地平面位于两个介电层之间。顶部和底部微带线通过金属化通孔连接。移除了顶部电介质表面和接地平面以提供更好的视图。 多层电路板上的微带线,其中每个介电层都使用 20 密耳微波基片。具有防爆垫的接地平面位于两个介电层之间。顶部和底部微带线通过金属化通孔连接。移除了顶部电介质表面和接地平面以提供更好的视图。


如需“时域反射法”教学模型,请访问以下“案例库”路径:
RF_Module/EMI_EMC_Applications/high_speed_interconnect_tdr

新的远场后处理变量

新版本中新增了后处理变量,来计算远场辐射图。之前版本中的增益变量现在由增益和实际增益通过输入阻抗不匹配因数来说明。这些后处理变量可用于远场图中来实现天线特性的可视化。

  • EIRP 和 EIRPdB:有效全向辐射功率及其 dB 缩放值。
  • gainEfar 和 gaindBEfar:不包含输入不匹配的增益及其 dB 缩放值
  • rGainEfar 和 rGaindBEfar:实现的增益包括输入不匹配及其 dB 换算值


如需新的远场后处理变量,请访问以下“案例库”路径:
RF_Module/Antennas/double_ridged_horn_antenna

新增默认设置用于增强可用性

许多默认设置已更新,以减少建模步骤并增强可用性:

  • 电磁波,频域 接口启用了物理场控制网格
  • 网格从电磁波,频域 接口中自动提供的研究步骤中读取频率或波长
  • 电磁波,频域 接口的“求解器”设置由鲁棒性 变为快速
  • 三维远场图中的角坐标分辨率更细化 (theta 45, phi 45)
  • 现在对第一个端口启用自动激励
  • GHz 现在是频域频域模态特征频率 研究步骤的新的默认频率单位
  • 对于频域模态 分析,围绕偏移量的特征频率搜索方法现在设为更大的实部
  • Linper 算子在内部用于激励的集总端口,不再需要由用户指定用于频域模态 分析
  • GHz 现在是 S 参数图以及更简化的 S 参数描述的默认单位

更新的教学模型使用降阶建模技术

频域模态 研究步骤的使用已扩展到集总端口和各端口中,从而不需要手动输入有关激励端口电压的 linper 算子。现有的“案例库”示例中已实现了两种强大的仿真方法(渐近波形计算和频域模态方法),用于设计带通滤波器类型的高质量设备。与传统的频率扫描方法相比,使用这两种方法计算的速度快了几个数量级,而且频率分辨率更高。

COMSOL 软件 5.3 版本中新增的教学模型“波导虹膜带通滤波器”中的绘图。

采用 频域模态时频率分辨率的细化程度是采用离散频率扫描的六倍,仿真时间比采用相同的滤波器快了四倍。该图像来自“波导虹膜带通滤波器”教学模型。

采用 频域模态时频率分辨率的细化程度是采用离散频率扫描的六倍,仿真时间比采用相同的滤波器快了四倍。该图像来自“波导虹膜带通滤波器”教学模型。

有关使用渐近波形计算 方法的示例,请访问以下“案例库”路径:
RF_Module/Filters/cylindrical_cavity_filter_evanescent
RF_Module/Passive_devices/rf_coil

有关使用频域模态 方法的示例,请访问以下“案例库”路径:
RF_Module/Filters/cascaded_cavity_filter
RF_Module/Filters/coupled_line_filter
RF_Module/Filters/cpw_bandpass_filter
RF_Module/Filters/waveguide_iris_filter