RF 模块
RF 模块
用于微波和 RF 设计软件
车载天线与 EMI/EMC：本例模拟了汽车挡风玻璃上的印刷 FM 天线。对三维远场辐射图进行了可视化。空间上半部分已使用完美匹配层截断，以对无限大气空间建模。此外，还研究了电缆束上的电场强度。
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。
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。
更多图片：
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同址干扰：通过对飞机机身上安装的接收天线的不同配置执行 S 参数分析，可以分析单个大型平台上的天线串扰或同址干扰。此模型模拟了在甚高频 (VHF) 下两个相同天线之间的干扰。 -
天线测量：采用辐射吸收材料 (RAM) 的角锥吸声体常用于在消声室中测量电磁波。在此，通过使用有损耗材料模拟含碳导电泡沫的电磁属性，对微波吸收进行建模。
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生物医学工程：此模型使用低功率 35 GHz Ka 波段毫米波及其对液体的反射性来实现无创癌症诊断。根据肿瘤部位的 S 参数检测到异常，同时还对部分坏死组织执行了分析。
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功率分配器/耦合器：Wilkinson 功率分配器是一种三端口无损设备，其性能优于 T 形接头功分器和电阻分压器。此仿真所含的 100 Ω 电阻器通过集总单元特征进行建模，并计算了 S 参数，显示出良好的输入匹配以及 -3 dB 平均分配的输出。
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可调设备：在此可调设备仿真中，通过衰减模式空腔滤波器内的电容来控制谐振频率。电容通过压电传动装置进行调谐。
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宽带天线：锥形槽天线也称为 Vivaldi 天线，在宽带应用方面非常有用。锥曲线可通过指数函数来轻松配置。此模型显示使用快速三维远场图进行可视化的天线辐射图。
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。
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。
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。
MRI 肿瘤追踪治疗癌症
Gino Fallone and colleagues Cross Cancer Institute Edmonton, AB, Canada
癌症放射治疗靶向定位存在诸多不确定性，其中包括随呼吸移动的靶点等等，磁共振成像 (MRI) 可以精确地定位肿瘤在软组织中的位置，然而其产生的磁场会干扰通过线性粒子加速器 (Linac) 来实现的放射治疗。加拿大 Cross Cancer Institute ...
螺旋谐振腔滤波器分析
S.P. Yushanov, J.S. Crompton, and K.C. Koppenhoeffer AltaSim Technologies
随着世界更趋于数字化，对于先进无线系统的需求日益增长。越来越高的数据速率传输意味着诸如微波滤波器这样的组件必须要装入更加微小的体积中，同时还需要在更紧凑的无线系统中集成多个过滤器。在系统的几何和拓扑约束范围内满足过滤器的特定带通频率和品质因子 ...
选择隐形天线的阵列
F. De Vita, S. Di Marco, F. Costa and P. Turchi Altran, Italy
隐形飞机和舰船可以通过优化表面的形状使能量反射远离探测源或采用吸收雷达波的材料来躲避雷达探测。但是，如果舰船或飞机的天线需要正常的通讯工作，就不能完全掩蔽它。这也使其成为剩余的具有很大雷达散射截面 (RCS) 的组件之一，而这基本上会破坏整个系统对于雷达的隐形性。 ALTRAN 是全球领先的创新型高科技工程咨询机构，他们正着手设计几何形状构成的频率选择表面，可优化隐形技术。FSS 的性能与其形状、厚度、基片的选择和各个单元之间的定相有关。这其中有很多可能性，而测试每一种可能的物理场对于设计师来说很耗时。ALTRAN 借助 COMSOL Multiphysics 软件进行仿真来研究各种形状和大小的频率响应以及它们在表面上的分布，在短短几分钟内找到值得研究的模型。
粒子的电磁波散射
S. Yushanov, J. Crompton, and K. C. Koppenhoefer, Altasim Technologies, OH, USA
在电磁波通过物质时，它们会与粒子或杂质相互作用扰动局部电子分布，从而产生电磁辐射和散射。有一个用以描述电磁波散射的数学模型，称为米氏散射，它可以对与粒子大小无关的一般散射情况提供通用解决方案。米氏散射的应用实例包括大气中的尘埃粒子 ...
加倍光束强度为费米国家加速器实验室的研究发现创造了难得的机会
M. A. Hassan, T. Khabiboulline, J. Reid Fermilab, IL, USA
宇宙中每一个最原始罕见的物理现象发现背后都是一种强大的技术，比如费米实验室现在正在使用的粒子加速器。在过去的 40 多年里，有一种粒子加速器十分特殊，就是增强器，它可以在实验室中为粒子物理实验提供高强度质子束。 目前正全力以为地对增强器的 19 铁氧体调谐高频腔进行翻新、测试并证明其符合要求。上述步骤完成后，高频腔即能以双倍的电流强度产生和保持粒子束。 这个用户故事要说明的是，费米实验室的工程师如何利用实验并结合多物理场仿真对高频腔增强器的 RF 加热和机械性能进行评估。这些研究结果有助于他们估算升级腔的冷却要求，以确保到 2025 年他们能安全可靠地生产出高吞吐量粒子束。
纳米谐振器获得新型界定工具
J. Yang, M. Perrin, P. Lalanne CNRS, France
纳米谐振器（或光学纳米天线）以纳米数量级控制光线的集中、辐射和吸收，该技术未来具有无限前景，如传感器、计算机及其他电子装置。然而，这些装置散射光线的方式以及与其周围环境之间的相互作用方式都不太好理解，以及构成这些装置的复合金属形状的电磁特性也不容易理解。用来计算谐振模式以及纳米谐振器的激励的数值方法历来都很麻烦而且容易出错。 现在，Institut d’Optique d’Aquitaine（法国，巴黎）的研究人员和工程师使用 COMSOL Multiphysics 软件仿真来迅速精确地确定了物理性质，计算了谐振模式，并分析了由于激励而产生的电磁场和散射。他们希望模拟这些纳米谐振器的新方法可以促进纳米机电装置（NEMS）的发展，并使其得到更广泛的应用，如光电、光谱学以及改进的电子系统。
利用微波加热开发一种应用于有机合成的新型微反应器
W. Lee, K. Jensen MIT, MA, USA
用于生成溶剂和某些药物的化学反应依赖于有机合成，有机合成是可以通过微波加热来加速各种化学制品化合的过程。微反应器系统具备成功合成所必须的直接的、局域的且有效的温度变化。不过，均匀的温度分布对化学过程来说至关重要，不必要的温度变化或加热速度过慢可以抑制这些化学反应。麻省理工学院（MIT）的研究员 Wen-Hsuan Lee 制造了硼硅酸盐玻璃微反应器进行这个微波有机合成，但当她在微波系统中测试自己的设计时，发现加热并不均匀而且低于所需温度。于是她使用 COMSOL Multiphysics 软件模拟微反应器，以此研究模型的几何和方向对加热过程所产生的影响。通过这些仿真结果，她能够重新改造微反应器，并优化其在微波系统中的位置和方向，以成功实现有机合成。
偶极天线
人脑吸收的辐射 (SAR)
科学家利用比吸收率 (SAR) 决定人体组织吸收的辐射量。由于手机产生的辐射可能会影响人脑，因此这种测量对手机尤其重要。此模型研究了人脑吸收的来自天线的辐射波以及引起的温度升高。 需要使用“RF 模块”和“传热模块”。
对数周期天线
对数周期天线是一种宽频带或非频变天线。最流行的一种形式是共面偶极阵列类型，常用于在消声室中进行超高频范围的天线测量。本例计算 250 MHz 到 750 MHz 之间的电压驻波比 (VSWR) 和远场辐射图。
抛物线型反射器天线
波纹状圆形喇叭天线
从一个圆形波导激励的 TE 模式沿着圆形喇叭天线的波纹状内表面传播，还生成一个 TM 模式。当两个波耦合在一起时，会在天线的孔径处产生较低的交叉极化。使用此模型可以修正天线的几何，改进天线的辐射特性和孔径的交叉极化比。
