RF 建模软件用于优化电磁设备

射频和微波器件的设计人员需要确保电磁仿真的可靠性和稳定性。在传统的电磁建模过程中,您可以单独分析射频物理场,然而,实际产品的运行不可能只涉及一个物理分支。要研究其他物理现象对产品设计的影响,便离不开多物理场建模,这种建模技术可以对模型进行扩展,在其中包含温升、结构变形和流体流动等多种效应。 在 COMSOL Multiphysics® 仿真平台加入“RF 模块”进行功能扩展后,您可以在多物理场环境下分析包括微波和射频加热在内的各种射频设计,实现在一个软件平台中模拟所有物理现象。

RF 模块使设计满足当前和未来发展

任何产品、元器件都在不停地更新换代。借助“RF 模块”,您可以研究电磁波传播、微波加热以及射频加热等各种效应,从而不断优化设计 - 确保创造最佳产品,在行业中遥遥领先。

在快速发展的射频、微波和毫米波行业,产品开发离不开技术的进步,二者紧密相关。举例来说,包括滤波器、耦合器、功分器和阻抗匹配电路在内的天线和射频前端都应适应未来的发展,比如 5G MIMO 网络、物联网(IoT)和卫星通讯(SatCom)等等。

不仅如此,评估无线通信平台中的射频干扰和兼容性也很重要,产品在具备这些功能后,可无缝对接到可穿戴设备、无人驾驶汽车以及最先进的微波和 RF 产品等各类应用的开发中。

在这个高速发展、瞬息万变的时代,借助 COMSOL® 软件,您的组织可以时刻为新技术的到来敞开大门。

RF 模块带来的优势

当您加入“RF 模块”对 COMSOL Multiphysics® 进行功能扩展后,除了可以访问 COMSOL Multiphysics® 软件平台的核心功能外,还能够访问专用于射频和微波建模的各种特征。

RF 模块提供的工具可用于模拟:

  • 天线
  • 远场辐射方向图
  • 天线增益和方向性
  • S 参数
  • 输入阻抗
  • 相控阵
  • 电路
  • 射频识别(RFID)
  • 生物医疗器械
  • 微波烧结和微波波谱学
  • 带通滤波器类器件
  • 超材料与集成表面等离激元
  • 纳米结构
  • 毫米波与太赫兹辐射
  • 谐振器和滤波器
  • 耦合器与功率分配器
  • 亚铁磁性设备
  • 近场通信
  • Bloch-Floquet 周期性阵列和结构
  • SAR 计算
  • 微波炉
  • 散射与交叉辐射
  • 传输线
  • 微带
  • 共面波导
  • 基片集成波导(SIW)
  • 频率可调设备
  • RF MEMS
  • EMI/EMC

多物理场耦合

RF 模块包含:

  • 电磁热
  • 温度相关的材料属性
  • 电磁场相关的材料属性
  • 应变/应力相关的材料属性与变形几何

与其他模块结合时包含:

  • 生物加热和生物医学治疗,如微波消融和毫米波癌组织诊断等
  • 热应力和机械变形造成的性能影响
  • 磁场偏置铁氧体
  • 压电驱动的可调滤波器
  • 微波等离子体
  • 介电泳
  • 辐射热损耗
用于研究传输线巴特勒矩阵波束成型网络的 COMSOL 模型。

巴特勒矩阵波束成型网络通过“RF 模块”中的传输线 接口进行设计。结果显示频率为 30 GHz 时天线元件上的电场对数模,以及波束成型网络上的算术相位级数。

用于研究消声室中微波吸收的 COMSOL 模型。 EMI/EMC 测试中常用的双锥形天线位于消声室的中心。模型中的远场辐射方向图和 S 参数显示,在不影响天线性能的情况下,壁反射明显减少。
使用 COMSOL Multiphysics 基本模块和“RF 模块”创建的频率选择表面(FSS)模型的 S 参数一维绘图。 通过绘制频率选择表面的一维 S 参数图,显示设计的带通谐振。
使用 COMSOL Multiphysics 基本模块和“RF 模块”创建的频率选择表面(FSS)模型的 S 参数一维史密斯绘图。 通过创建史密斯绘图,计算频率选择表面(FSS)模型中不同入射角时的反射率和透射率性能。
使用 COMSOL 软件的“RF 模块”进行的电磁热建模示例。 x 波段波导弯头包含一个材料属性随温度变化的介质块。模型显示装配因电磁损耗造成温度不断上升的情况,并最终确定了稳态温度。
印刷电路板(PCB)上的微波低通滤波器 COMSOL Multiphysics 模型。 此模型计算了印刷电路板(PCB)上的微波低通滤波器的 S 参数。此外,还根据短截线沿微带线的位置和长度分析了机械变形效应。

RF 模块特征和功能

请展开以下各个部分,查看“RF 模块”的各种特征和功能。

您可以从选择预定义的物理场接口开始,着手射频或微波器件设计。这些接口附带了许多特征和功能,可满足各种特定的建模场景,您无需先计算出描述物理场的复杂麦克斯韦方程组,便可以建立模型。

无论您要研究的是简单射频器件的电磁特性,还是要与传热或结构力学等其他物理现象进行耦合分析,都可以根据需要在内置的综合物理场接口中选择合适的接口进行建模仿真。

Did You Know? 接口是根据特定分析领域定制的综合建模功能包。

RF 模块中基于物理场的建模接口:

  • 电磁波,频域
  • 电磁波,时域显式
  • 电磁波,瞬态
  • 传输线
  • 电路
  • 微波加热
该 COMSOL 软件 GUI 屏幕截图显示“RF 模块”中提供的预定义物理场接口。

波导中的射频加热通过预定义的微波加热 接口进行建模;在 COMSOL Multiphysics® 仿真平台上添加“RF 模块”后即可使用该接口。

在电磁问题建模过程中,通常需要使用各种不同的选项对边界条件和几何进行设置。鉴于此,“RF 模块”提供了许多预设的几何功能,不论您是执行一维、二维还是三维域建模,都可以使用这些功能。

您可以从各种各样的边界条件中选择适当的边界条件来描述金属边界(包括阻抗边界和完全电导体与磁导体),以及描述散射边界和完美匹配层等辐射(吸收)边界。不仅如此,“RF 模块”还支持定义周期性边界条件,以减小模型大小。

Did You Know?

您可以使用周期性完美匹配层对称 边界条件来减少计算时间和内存。

多种多样的边界条件涵盖了许多设计场景,支持模拟端口、电缆、设备及其他组件的几何结构以及更为复杂的几何。

RF 模块的内置边界条件:

  • 表面
    • 完美导电表面
    • 有限电导率
    • 薄损耗边界
  • 对称
  • 周期性
  • 自由空间
    • 散射(吸收)边界
    • 完美匹配层(PML)
  • 元件
    • 电容
    • 电感
    • 电阻
    • 复阻抗
  • 端口
    • 矩形
    • 圆形
    • 周期性
    • 同轴
    • 用户定义
    • 数值(模式匹配)
    • 集总
    • 二端口网络系统
  • 电缆终端
  • 线电流
  • 点偶极子
 

想必您一定希望能够在仿真中完全控制每一个细节!采用基于方程的建模方法,您可以直接在软件中修改控制方程,进一步根据自己的需要来定制模型,然后执行仿真分析。

“RF 模块”采用有限元法来求解电磁建模问题,尤其是频域形式的控制麦克斯韦方程组。通过基于有限元法来修改定制方程,您可以确保得到精确的仿真结果,并据此设计出安全可靠的最终产品。

Did You Know? 在许多情况下,有限元法都优于有限差分法,对于多物理场应用以及具有复杂几何结构的器件而言尤其如此。

使用基于方程建模方法的另一个好处在于,您无需进行基本编码,因此显著提高了建模对象的灵活性,并有效缩短了仿真设置时间。

RF 模块中的基于方程建模具有高度的灵活性:

Did You Know? 通过使用基于方程的建模方法,您可以访问并修改各种方程,这些方程可以控制所应用的建模接口。

  • 一维
    • 传输线方程(可投射到二维或三维应用)
  • 二维
    • 面内、面外偏振或完整的三分量矢量
    • 面外传播
  • 二维轴对称
    • 面内、面外(方位角)偏振或完整的三分量矢量
    • 已知的方位角模数
  • 场公式:
    • 全波(全场)
    • 背景波(散射场)
  • 三维
    • 使用矢量边(旋度)单元的全波形式麦克斯韦方程组
    • 材料属性关系:
      • 电介质
      • 金属介质
      • 色散介质
      • 损耗介质
      • 各向异性介质
      • 回旋介质
      • 混合介质
  • 使用 SPICE 网表的电路(无因次)建模
 

使用“RF 模块”,您可以实现对网格的完全控制。对于在仿真过程中,材料属性因电磁热等因素不断发生变化的情况,这一优势尤为突出。

借助 COMSOL Multiphysics® 提供的物理场控制的网格剖分功能,您可以轻松解析电磁现象的波长,从而得到精确的求解结果。随后,您可以根据所需的精度水平来更改用于求解模型的网格单元数,以得到合适的分析结果。

您可以使用各种自动或手动网格剖分选项,对电介质域和完美匹配层(PML),以及 RF 模型的周期性结构进行网格剖分。通过对网格的全面控制,您可以确保得到精确的仿真结果。

RF 模块中的网格剖分特征:

  • 四面体
  • 三角形
  • 六面体
  • 棱柱
  • 矩形
使用 PML 和物理场控制网格特征的 EM 仿真 COMSOL GUI 屏幕截图。 汽车几何通过物理场控制的网格剖分特征进行网格剖分。汽车外围是由空气域分隔的完美匹配层,用于计算后挡风玻璃 FM 天线的远场辐射方向图。

您可以使用 COMSOL Multiphysics® 提供的数值方法和求解器,在不影响速度和精度的情况下计算电磁仿真背后的复杂方程。“RF 模块”内置的默认求解器是研发人员经过周密考虑而精心设计的,可以确保分析结果的准确性,并通过可靠的数值解为您的设计提供支持。

无论您的仿真目标是什么,都可以选择适用的研究类型,并操控所有相关设置,执行特征值、频域和完全瞬态分析等各种分析。“RF 模块”提供多种求解方法,总有一种方法能满足您独特的仿真需求。

RF 模块中的数值方法:

  • 有限元法
    • 频域
    • 隐式时域
    • 符合 CAD 曲面曲率的一阶、二阶或三阶矢量/边单元
  • 间断 Galerkin(dG),显式时域
  • 传输线方程,频域
  • 模型降阶(MOR)技术
    • 渐近波形估计(AWE)方法
    • 频域模态方法

RF 模块中的研究类型:

  • 特征频率
    • 结构的谐振频率和 Q 因子
    • 波导的传播常数和损耗
  • 频域
    • 计算频率范围内的特性
  • 完全瞬态
    • 非线性材料
    • 信号传播和返回时间
    • 极宽频带特性
    • 时域反射法(TDR)
该屏幕截图显示使用“RF 模块”中的“频域”研究类型的威尔金森功分器模型。 威尔金森功分器的电场模通过“频域”研究类型进行建模。研究设置已针对特定频率范围进行配置。

您可以采用吸引眼球的方式向同事、客户和决策者呈现您的仿真结果,包括 S 参数矩阵、远场辐射方向图和史密斯绘图等复杂的可视化效果图。从色彩绚丽的颜色标尺到简单直观的派生值绘图,您可以通过极具感染力且易于理解的方式尽情展示您的仿真结果。无论您的仿真目的是什么,此功能都能帮助您的团队成员参与到后续开发过程中。此外,您还可以导出可视化数据,以便在其他工具中执行进一步后处理。

Did You Know? 此外,您还可以在结果绘图中添加定制的注释,使重要的值突出显示,方便查看。

RF 模块中的后处理特征:

  • S 参数矩阵
  • 远场辐射方向图
  • 天线增益
  • 轴比
  • 用户定义的表达式绘图
  • 派生变量和用户定义的函数与变量
  • 雷达散射截面
  • 史密斯绘图
 

试想一下,如果您不需要再为团队中的其他成员反复运行仿真测试,是不是就能把更多的时间和精力投入到新的项目中?借助 COMSOL Multiphysics® 内置的“App 开发器”,您可以构建仿真 App,在其中限制模型的输入并控制模型输出,使您的同事能够自行运行分析,从而进一步简化仿真工作流程。

您可以在 App 中轻松更改天线的增益或频率等设计参数,并根据需要执行多次测试,而无需重新运行整个仿真。您可以借助 App 提高自己的测试运行效率,也可以将 App 分发给团队其他成员供其运行各自的测试,从而将节省的时间和资源投入到其他项目中。

仿真 App 的构建过程非常简单:

  1. 将复杂的 RF 模型转换为简单的用户界面(App)
  2. 为 App 用户选择输入和输出,实现按需定制 App
  3. 使用 COMSOL Server™ 产品对 App 进行分类,使团队其他成员可以访问这些 App
  4. 最终实现您的团队成员在无需任何帮助的情况下,便能够自行运行设计分析

通过构建和使用仿真 App,您可以在整个团队、组织、课堂或客户群中扩展仿真功能。

使用 COMSOL Multiphysics 构建的定制仿真 App,用于分析表面等离激元线光栅。 用于分析电介质基板上的表面等离激元线光栅的仿真 App 示例。该 App 计算折射系数、镜面反射和一阶衍射随入射角的变化情况。
使用 COMSOL Multiphysics 构建的定制仿真 App,用于研究微带阵列贴片天线。 该 App 示例用于模拟微带贴片天线阵列,其中呈现了天线阵列远场辐射方向图及其方向性的可视化效果。App 用户还可以评估 5G 移动网络的相控天线阵原型。

研发切实可行的微波和毫米波电路、天线和超材料

在借助仿真设计 RF 产品、器件和元件时,模拟的设计必须做到切实可行,才能确保产品在实际工作中的安全性。您可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件和专用的附加“RF 模块”来分析多种物理场对 RF 设计产生的影响。

一般而言,您设计的大多数射频元器件和产品都会受到其他物理分支的影响,例如传热、等离子体或结构力学等物理场。为达到尽可能高的研究精度,您需要同时分析其中涉及的各种物理效应。借助 COMSOL Multiphysics® 的附加“RF 模块”,您可以在同一建模环境下将所有产生影响的物理效应进行耦合,从而简化研究过程。

您是否还需要研究其他可能影响最终产品的特定物理领域?您可以将“RF 模块”与产品套件中的任意附加模块或 LiveLink™ 产品搭配使用,它们都能无缝集成到核心 COMSOL Multiphysics® 软件平台中。这意味着,不论您为何种应用领域或物理场建模,都可以遵循同样的建模工作流程。

耦合了传热与 RF 物理场的介电探针多物理场模型。 用于皮肤癌诊断的锥形介电探针模型,通过耦合传热与 RF 物理场进行建模。二维轴对称支持快速分析主导模式下的圆形波导,以及探针及其辐射特性。
将 RF 物理场和 MEMS 相耦合的可调空腔多物理场模型。 通过耦合 MEMS 和 RF 物理场模拟的可调衰减模式空腔滤波器。该模型显示压电执行器的结构力学如何控制空腔滤波器内部的谐振频率。

下一步:
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每个公司、每个仿真需求都是独特的。 为帮助您充分评估 COMSOL Multiphysics® 软件是否能满足您的需求,请联系我们。 通过与我们的销售代表进行交流,您将能得到个性化的建议和完整的案例文档,帮助您在产品评估过程中获取实用信息,并针对您的需求选择最佳的许可证。

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