1. Як правильно налаштувати розрахунок радіочастотних, мікрохвильових і мілліметроволнових пристроїв і...
2. Проектування мікрохвильових і мілліметроволнових пристроїв за допомогою модуля Радіочастоти
3. Приклади розрахунків фільтрів, ответвителей і подільників потужності
4. Облік міждисциплінарних фізичних ефектів в СВЧ-розрахунках
5. Прискорення електромагнітного моделювання з використанням методів зниження порядку (Reduced-Order Modeling)
6. Динамічна рефлектометрія (TDR - Time-Domain Reflectometry) мікрохвильових пристроїв
7. Швидке прототипування на основі рівнянь для довгих ліній.
8. Короткі висновки по моделюванню мікрохвильовими печами та контурів

Поширеною помилкою при моделюванні електромагнітних пристроїв є бажання додати в одну модель одночасно і складну геометрію, і комплексні властивості матеріалів, і змішані граничні умови. Очевидно, що такий підхід не принесе користі: швидше за все, програма буде довго вважати, та ще й може видати помилкові результати. У цій статті ми покажемо, як ефективно налаштувати прості радіочастотні, мікрохвильові та мілліметроволновие моделі в програмному забезпеченні COMSOL Multiphysics®.

Як правильно налаштувати розрахунок радіочастотних, мікрохвильових і мілліметроволнових пристроїв і контурів в COMSOL Multiphysics®

Основне правило електромагнітного моделювання, незалежно від характеристик пристрою, будь то резонатор, хвилевід, випромінювач або поглинач, дуже просте: Необхідно максимально ефективно налаштувати модель, наприклад, як показано в попередній статті нашого блогу . Навіть якщо ви розглядаєте цілком певну конструкцію, все одно краще почати зі спрощеної моделі, а потім поступово ускладнювати геометрію.

Коли пристрій працює не на випромінювання, то в його структурі електромагнітні хвилі або поширюються як в волноводе, або послаблюються і поглинаються. В основі електромагнітних (ЕМ) розрахунків таких пасивних пристроїв лежить рішення системи рівнянь Максвелла.

Електромагнітна хвиля, що розповсюджується в мікросмужкових меандрі, до якого підключені два SMA-коннектора.

Для ефективного моделювання пасивних СВЧ-компонентів необхідно правильно вибрати фізичні властивості і граничні умови. Досить важко точно відобразити реальні лабораторні умови в моделі, при цьому продуктивно використовуючи час і обчислювальні ресурси.

У таблиці нижче зліва наведені практичні ситуації тестів і вимірювань, а праворуч - можливості COMSOL Multiphysics для їх заміщення та комп'ютерної імітації:

Фізичний прототип Чисельне моделювання Базові настройки Розширений функціонал Металевий шар провідника, шина заземлення та екранування Ідеальний електричний провідник (PEC - Perfect electric conductor)

• Імпедансному гранична умова (IBC - Impedance boundary condition)
  • Завдання шорсткості поверхні
  • Завдання поверхневої густини електричного струму
• Перехідний гранична умова (TBC - Transition boundary condition)
  • Завдання шорсткості поверхні
  • Завдання поверхневої густини електричного струму

Відкритий простір Розсіюючі граничні умови (Scattering boundary conditions) Ідеально узгоджені шари (PML) Вимірювання S-параметрів для узгодження пристрою і зміни коефіцієнта передачі (або внесених втрат) за допомогою аналізатора ланцюгів Порт або Зосереджений порт (Lumped Port) Чисельний TEM-порт Компоненти для поверхневого монтажу, такі як резистори, дроселі та ємності Зосереджені елементи (Lumped elements): R, L, і C Зосереджені елементи: послідовні або паралельні LC- і RLC-ланцюга Результати вимірювань довільного СВЧ-прилади чотириполюсника (Two -port network): S-параметри чотириполюсника (Two-port network): Опція імпорту файлу в форматі Touchstone

При початковій настройці моделі пасивного СВЧ-контуру відразу не потрібно задавати багато складних граничних умов. В принципі можна побудувати модель, особливо для низькочастотних розрахунків, використовуючи всього два граничних умови в модулі Радіочастоти (RF Module) пакета COMSOL Multiphysics. Давайте подивимося, як це зробити, на прикладі мікрополоскової лінії.

Геометрія мікрополоскової лінії.

Геометрія моделі складається з п'яти елементів (кожен з яких має певне призначення:

1. Зовнішній паралелепіпед (блок): металевий корпус (екранування), заповнений усередині повітрям
2. Внутрішній паралелепіпед: кристалічна підкладка для микрополосковой лінії передачі
3. Прямокутник: друкований металевий шар провідника
4. Прямокутник: зосереджений порт (Lumped Port) №1 для збудження сигналу
5. Прямокутник: зосереджений порт (Lumped Port) №2 для знімання сигналу

Матеріали, використовувані в моделі: діелектрична підкладка (її властивості задаються користувачем) і повітря, який оточує друковану плату.

Потім необхідно зазначити коректні граничні умови (ГУ) для моделі:

• Гранична умова Ідеальний електричний провідник (Perfect Electric Conductor) в моделі - це аналог тонкого металевого шару з високою провідністю
• Гранична умова Зосереджений порт (Lumped Port) в моделі використовується для збудження або параметрів завершення сигналу (закладення) в СВЧ-контурі і вимірювання S-параметрів

Металеві частини мікрополоскової лінії: верхній мідний шар і нижня область з заземленням (зліва) і.

Зосереджений Порт (Lumped Port) - гранична умова на одному з кінців лінії (праворуч). На одній заданій частоті розрахунок займе всього кілька секунд. За замовчуванням в результатах буде доступний розрахунок S-параметрів системи і візуалізація картина розподілу електричного поля для зазначеної частоти. Якщо розрахунок був проведений для діапазону частот, то до попередніх результатів додасться діаграма Сміта. При необхідності ви також можете розрахувати імпеданс порту в кілька кліків.

Розподіл електричного поля на поверхні підкладки і візуалізація кінцево-елементного розбиття мікрополоскової лінії.

У модулі Радіочастоти до електромагнітної моделі можна додавати облік різних фізичних ефектів. Це означає, що ви можете вивчити всі фізичні явища і задати будь-які властивості, які необхідні для конкретного завдання. При перевірці конструкції вашого пристрою важливо мати чітке уявлення про фізику (або комбінації фізичних ефектів), що лежить в основі розрахунку.

Ви можете більш детально дізнатися про базові рівняннях і методах моделювання, використовуваних в модулі Радіочастоти, в попередніх статтях нашого корпоративного блогу: Моделювання металевих об'єктів і Використання ідеально узгоджених шарів і граничних умов розсіювання в хвильових електромагнітних задачах .

Далі ви можете приступити до проектування вашого мікрохвильового або мілліметроволнового пристрої, будь то ответвитель, дільник потужності, фільтр або будь-якої широкосмуговий компонент.

Проектування мікрохвильових і мілліметроволнових пристроїв за допомогою модуля Радіочастоти

Ви можете подивитися численні приклади моделювання радіочастотних, мікрохвильових і мілліметроволнових пристроїв в розділі «Радіочастоти» Бібліотеки додатків COMSOL. Там ви знайдете як типові навчальні приклади, наприклад, з моделювання ліній передач, ответвителей, подільників потужності, фільтрів і трансформаторів, так і приклади, що враховують міждисциплінарні ефекти, наприклад, розрахунки мікрохвильових печей, питомих коефіцієнтів поглинання (SAR), перебудовуються фільтрів і т . Д. Також там є приклад СВЧ-циркулятора, в роботі якого використовуються анізотропні властивості ферритового матеріалу.

Приклади розрахунків фільтрів, ответвителей і подільників потужності

Відгалужувачі, подільники потужності і фільтри є найважливішими компонентами СВЧ-техніки. Вони стануть чудовою базою для вивчення принципів моделювання мікрохвильових пристроїв в програмному забезпеченні COMSOL®. Дуже корисно, що по типовим для цієї області прикладів легко можна перевірити расчёние результати.

Типові приклади шлейфового ответвителя з квадратурних гібридним з'єднанням (зліва) і подільника потужності Уїлкінсона (праворуч).

Роль фільтрів складно недооцінити, так як вони використовуються для поліпшення сигналів в радіочастотних та мікрохвильових системах.

Смугасто-проникний фільтр на зв'язаних лініях (зліва) і хвилеводний фільтр з діафрагмами (Iris) (праворуч).

Пасивні пристрої не обмежуються стандартною формою контурів на друкованій платі. Наприклад, періодичні структури частотно-виборчої поверхні (FSS) з резонаторами типу «розрізне кільце (split ring)» , Які можуть пропускати або затримувати частоти в певній смузі. У прикладі нижче через шар на основі таких резонаторів можуть проходити сигнали тільки на центральній резонансній частоті.

Модель частотно-виборчої поверхні (резонатор типу «розрізне кільце»). Для моделювання нескінченного 2D-масиву досить одного осередку структури з заданими періодичними граничними умовами.

Облік міждисциплінарних фізичних ефектів в СВЧ-розрахунках

Через теплового розширення, зовнішніх сил або п'єзоелектричних властивостей структура контуру може змінитися. Поверхня може бути деформована нерівномірно, що може привести до нерівномірного розподілу реактивного опору. В такому випадку вирішити проблему простним параметричних дослідженням для різних геометрій. З огляду на мультіфізіческіе зв'язку, ви можете аналізувати і проектувати складні пристрої, такі як перебудовувані фільтри , Керовані п'єзоелектричними актуаторами.

Анімації для мультіфізіческіх прикладів: перебудовується резонатора фільтр, керований пьезоактуатором (зверху) і Микрополосковая низькочастотний фільтр під дією зовнішньої механічної навантаження (знизу).

Виконати мультіфізіческій аналіз в COMSOL нескладно. Ви просто додаєте інші фізики в вашу мікрохвильову модель. Наприклад, фізичний інтерфейс Теплопередача - для розрахунку мікрохвильового нагріву або інтерфейс групи Механіка конструкцій, щоб подивитися, як деформація впливає на електромагнітні параметри пристрою. Незважаючи на те, що в цьому випадку буде задіяно кілька фізичних інтерфейсів, ви як і раніше будете працювати в одному середовищі і використовувати загальні принципи побудови моделей.

Прискорення електромагнітного моделювання з використанням методів зниження порядку (Reduced-Order Modeling)

Деякі електромагнітні пристрої, такі як смугові фільтри з високою добротністю, вимагають великих обчислювальних ресурсів (і часу) для якісного розрахунку. У модулі Радіочастоти доступні дві методики для прискорення моделювання таких фільтрів : Асимптотический аналіз форми хвильового сигналу (asymptotic waveform evaluation (AWE)) і модально-частотний аналіз (frequency-domain modal analysis).

Циліндричний резонатора фільтр на загасаючої моді - навчальна модель з демонстрацією використання AWE-методу. Даний підхід доцільний для моделювання контурів з одиночним резонансом і ефективний при розрахунку великого числа частотних точок.

На малюнку показані результати розрахунків каскадного прямокутного резонатора фільтра (зліва) і компланарності-хвильового смугового фільтра (праворуч). Показано переваги модально-частотного аналізу при моделюванні АЧХ (амплітудно-частотних характеристик) пасивного пристрою, що має кілька резонансних частот з розглянутому діапазоні. У цьому випадку розрахунок власних частот є ключовим для знаходження резонансів пристроїв довільної форми.

За допомогою цих двох методів можна отримати досить точну АЧХ, але при цьому файл моделі з результатами моделювання буде дуже багато важити і містити величезну кількість даних. Але поспішаємо вас порадувати - інженерам звичайно потрібні тільки значення S-параметрів для даного приладу. Тому часто буває досить зберегти дані, що відносяться до тільки до наступних кордонів, на яких задані зосереджені порти. За рахунок такого підходу до збереження результатів, можна значно скоротити розмір підсумкового файлу.

Динамічна рефлектометрія (TDR - Time-Domain Reflectometry) мікрохвильових пристроїв

Фізичний інтерфейс Електромагнітні хвилі, Тимчасова область (Transient) дозволяє моделювати поширення електромагнітних хвиль в тимчасовій області. У такому режимі можливо проведеніечісленной динамічної рефлектометрии (TDR - Time-domain reflectometry) мікрохвильовій ланцюга. Виконавши TDR-аналіз вашого пристрою, можна передбачити якість сигналу, що передається. Спотворення напруги через взаємних перешкод між лініями електропередач і неузгодженість, пов'язане з обривами лінії, погіршують якість сигналу. Оцінка даних ефектів - це область досліджень по цілісності сигналу (SI - signal integrity). В даний час спостерігається зростання інтересу до розрахунків такого роду, що пов'язано зі збільшенням вимог до високошвидкісних пристроїв передачі даних. Наведені нижче приклади демонструють TDR-аналіз для двох випадків: взаємні перешкоди між двома сусідніми Микрополосковая лініями і неузгоджене хвильовий опір, відповідно. В обох випадках небажані ефекти проявляються при розрахунку в тимчасовій області з доданими до зосередженим портам імпульсами напруги.

Модель оцінки взаємних перешкод в мікрополоскової лінії (зліва) і TDR-аналіз для кожного її порту (праворуч), на якому видно: чим вище швидкість передачі даних, тим більше втрат на іншому каналі.

Динамічна рефлектометрія може використовуватися для оптимізації неузгодженості імпедансу при проектуванні високошвидкісних з'єднань .

Швидке прототипування на основі рівнянь для довгих ліній.

Інтерес до мілліметроволновому частотного діапазону з кожним роком зростає через появу нових мобільних мереж 5G, які повинні підтримувати більш високу швидкість передачі даних. Моделювання з низькими обчислювальними витратами допоможе швидко перевірити будь-яку нову концепцію або прототип. При роботі хвилеводу на основній частоті 2D моделювання значно скорочує час розрахунку.

Діплексер - це пристрій, який широко використовується в системах мобільного зв'язку для об'єднання або поділу сигналів на дві смуги частот. Представлена навчальна модель антенного роздільник (диплексера) містить розрахунок параметри поділу сигналу на основі спрощеної двовимірної геометрії.

Коли зв'язок між лініями передач вкрай слабка, фізичний інтерфейс Довгі Лінії (Transmission Line) дозволить ще більше заощадити обчислювальні ресурси. Розрахунок, який зазвичай займає від кількох хвилин до кількох годин, можна виконати за секунди за допомогою рівнянь для довгих ліній.

Стандартний низькочастотний фільтр (зліва) і матрична схема Батлера 4 × 4 (праворуч).

Після оцінки основних характеристик в такому спрощеному режимі, можна переходити до 3D-геометрії.

Антенна фазированная 8 × 1 решітка з використанням матричної схеми Батлера 8 × 8 на частоті 30 ГГц: комбінація швидкого моделювання лінії передач і Повнохвильова 3D-моделювання на основі МСЕ.

Короткі висновки по моделюванню мікрохвильовими печами та контурів

У цій статті ми розглянули різні методики розрахунку мікрохвильових пристроїв. Прочитавши цю статтю і переглянувши навчальні приклади, ви зможете створювати моделі пасивних СВЧ-приладів в пакеті COMSOL Multiphysics, зберігаючи високу точність при незначному часу розрахунку.