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Von Wellenleitern bis zu Metamaterialien: Multiphysik-Simulationen mit dem Hochfrequenz-Modul (`RF´ Modul)

Mobiltelefone werden häufig auch in Fahrzeugen eingesetzt. Der Einfluss einer Fahrzeugkarosserie auf das elektrische Feld einer Antenne ist dabei ein wichtiger Parameter

Terahertz-Wellen sind eine Alternative zu Röntgenstrahlen, da sie keine schädigenden Nebenwirkungen haben. Sie sind jedoch auch schwerer zu beherrschen, daher werden Modelle benötigt, um die Entwicklung zukünftiger Wellenleiter zu ermöglichen. Dieses Modell wurde freundlicherweise von Dr. Jason Deibel, Rice University, Houston, TX, zur Verfügung gestellt.

Eine der großen Herausforderungen in der Finite-Elemente-Simulation besteht im Umgang mit offenen Grenzen bei Strahlungsproblemen. Das RF-Modul ermöglicht den Einsatz von Perfect Matched Layers (PMLs), zur Simulation von elektromagnetischen Wellen an Rändern.

Kostenfreie CD zur RF-Simulation

Das RF-Modul für COMSOL Multiphysics zur Simulation von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen bietet neue Möglichkeiten zur Entwicklung moderner, komplexer RF-, Mikrowellen- und Photonikkomponenten. Mit der Software ist es einfach, Komponenten und Systeme zu untersuchen, die mit elektromagnetischen Wellen arbeiten. Die Anwender können damit Elemente zur Übertragung, Leitung, Empfang, Filterung und Verarbeitung von elektromagnetischen Wellen für Anwendungen entwickeln, deren Frequenzbereich vom Radiowellenbereich bis zum sichtbaren Licht reicht.

Mit dem Modul lassen sich multiphysikalische Effekte untersuchen wie z.B. die Verbindung von elektromagnetischen Phänomenen im Zusammenhang mit Wärmeübertragung oder Strukturmechanik. So kann man berechnen, welche Auswirkungen die Erwärmung auf den Frequenzgang eines Mikrowellenfilters hat. Bei Hochleistungs-Mikrowellen-Wellenleitern oder Schaltern lässt sich zudem prüfen, ob das Design an die Sicherheitsgrenzen stößt, ehe ein elektrischer Überschlag mit Luft oder einem Gas auftritt. Mit Hilfe der Software kann man das Design anschließend entsprechend modifizieren oder geeignetere Materialparameter auswählen. Das Modul bietet für diese Analysen eine fertige Multiphysik-Anwendung für die Mikrowellenerwärmung. Die Nutzer müssen weder festlegen, welcher physikalische Bereich ausgewählt werden soll, noch entscheiden, welche Randbedingungen gekoppelt werden sollen; die Software automatisiert diesen Prozess mit Hilfe weniger Mausklicks.

Ein Highlight des `RF´ Modul ist die Charakterisierung von S-Parametern/Reflexions-Transmissionsfaktoren. Für eine vorgegebene Geometrie und bestimmte physikalische Grundlagen können diese Werte über einen breiten Frequenzbereich festgelegt werden. Diese S-Parameteranalyse ist ideal für Wellenleiter, Antennen, Filter, Richtkoppler, Schalter, Mikrowellenverstärker, Übertragungsleitungen und Widerstandsnetzwerke.

Design von Stealth-Technologie und Anwendungen mit Terahertz-Strahlen

Mit Hilfe des Moduls lässt sich außerdem mehr über die so genannten Metamaterialien erfahren, auch bekannt als linkshändige Materialien oder Materialien mit negativem Brechungsindex, bei denen Permeabilität und Dielektrizitätskonstante gleichzeitig negativ sind. Diese Materialien weisen die unterschiedlichsten, ungewöhnlichen Phänomene auf: Sie brechen die Diffraktionsgrenzen, um die Auflösung in optischen Geräten wie z.B. Mikroskopen zu verbessern, sie kehren den Doppler-Effekt um und sie verfügen über ein sehr niedriges Reflexionsvermögen, was in der Stealth-Technologie von großem Vorteil ist. Mit dem `RF´ Modul lassen sich die frequenzabhängigen Eigenschaften derartiger Materialien analysieren und herausfinden, wie damit optische oder Mikrowellen-Komponenten gebaut werden können.

Eine neue und wichtige Technologie für die elektromagnetische Wellenausbreitung ist die Übertragung von Terahertz-Strahlen. Diese so genannten T-Strahlen eignen sich beispielsweise zur Entdeckung von Sprengstoffen oder Schmuggelware, Fehleranalyse, Feuchtigkeitsüberwachung, medizinischen Diagnose, Spurengaserfassung oder biomedizinischer Bilddarstellung. Dr. Jason Deibel von der Mittleman Terahertz Research Group an der Rice University dazu: "COMSOL Multiphysics kann effektiv und effizient zur Simulation von Konstruktionsproblemen und Phänomenen in Verbindung mit der Ausbreitung von Terahertz-Wellen eingesetzt werden." Insbesondere hat er diese Software erfolgreich eingesetzt, um das Design einer radialen, fotoleitfähigen Terahertz-Antenne zu bewerten. (Weitere Einzelheiten finden Sie unter www.comsol.com/stories/terahertz).

Simulationsvorsprung mit der RF Modell-Bibliothek

Das RF-Modul eignet sich für eine breites Anwendungsspektrum, so z.B. für Design und Analyse von:

• Antennen
• Mikrowellen-Wellenleitern
• Koplanaren Wellenleitern (CPWs) und Mikrobandleitern
• Hohlraumfiltern
• Hochleistungs-Mikrowellen-Komponenten
• Streuungsproblemen bei Lasern und Optikgeräten
• Magnetisch-optischen Speichervorrichtungen
• Dielektrischen Spiegeln
• Bragg-Gittern
• Terahertz-Wellenleitern
• Optischen Wellenleitern und Filtern
• Photonischen Kristall-Wellenleitern

Das Programm enthält außerdem eine Modellbibliothek mit über 25 Modellbeispielen, die sich gut für den Programmeinstieg und als Basis für eigene Modelle eignen. Ein typisches Beispiel ist die Optimierung des Designs eines Mikrowellenfilters: erläutert werden die Material- und Geometrieänderungen, die durch thermische Belastungen verursacht werden; in einem anderen Beispiel wird die Funktion eines Mikrowellenofens anhand der Wärmestrahlung in Lebensmitteln untersucht. Jedes Modell bietet eine detaillierte technische Beschreibung der zugrunde liegenden physikalischen Zusammenhänge sowie Schritt-für-Schritt-Anweisungen zur Erstellung des Modells.

Die COMSOL Produktlinie

COMSOL Multiphysics ist eines der führenden wissenschaftlichen Softwarepakete für die Modellierung von physikalischen oder chemischen Prozessen. Seine besondere Stärke ist die Multiphysik, also die Kopplung und Berechnung verschiedener Phänomene innerhalb eines Modells. Für verschiedene Anwendungsbereiche sind Zusatzmodule erhältlich. Im COMSOL Reaction Engineering Lab können durch einfache Eingabe chemischer Formeln kinetische und thermodynamische Analysen vorgenommen werden. Das gesamte Soft-warepaket ist erhältlich für Windows, Linux, Solaris und für Macintosh. Weitere Informatio-nen finden Sie unter www.comsol.de oder www.comsol.com.

COMSOL AB und FEMLAB GmbH