RF Module

Für Mikrowellen- und HF-Konstruktionen

RF Module

Ein Hohlraumfilter mit evaneszenter Mode wird realisiert, indem in dem Hohlraum eine Struktur hinzugefügt wird, die die Resonanzfrequenz unter diejenige des dominierenden Modus des ungefüllten Hohlraums ändert. Mit einem Piezoaktor wird die Größe eines kleinen Luftspalts gesteuert, der die Einstellbarkeit der Resonanzfrequenz bewirkt.

Vorhersagen des Verhaltens von Mikrowellen- und HF-Konstruktionen

Das RF Module wird von Entwicklern von HF- und Mikrowellenbauelementen verwendet, um Antennen, Wellenleiter, Filter, Schaltungen, Hohlräume und Metamaterialen zu entwickeln. Durch schnelles und genaues Simulieren der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen und des Resonanzverhaltens werden Ingenieure in die Lage versetzt, Verteilungen von elektromagnetischen Feldern, Übertragung, Reflexion, Q-Faktoren, S-Parameter und Verlustleistung zu berechnen. Eine Simulation bietet den Vorteil, dass die Kosten niedriger sind und außerdem die Möglichkeit besteht, physikalische Effekte zu berechnen und vorherzusagen, die in Experimenten nicht direkt messbar sind.

Im Vergleich zur herkömmlichen elektromagnetischen Modellierung können Sie Modelle so erweitern, dass sie Effekte wie Erwärmung, Strukturverformungen und Fluidströmungen beinhalten. Mehrere physikalische Effekte können gekoppelt werden und wirken sich folglich auf alle einbezogenen physikalischen Vorgänge während der Simulation eines elektromagnetischen Bauteils aus.

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Lösertechnologie

Unter der Oberfläche basiert das RF Module auf der Finite-Elemente-Methode. Maxwell-Gleichungen werden mit der Finite-Elemente-Methode gelöst. Dazu werden numerisch stabile Kantenelemente, auch als Vektorelemente bezeichnet, in Kombination mit neuesten Algorithmen zur Vorkonditionierung sowie mit iterativer Lösung der sich ergebenden dünn besetzten Gleichungssysteme verwendet. Sowohl der iterative als auch der direkte Löser werden auf Computern mit Mehrkernprozessoren parallel ausgeführt. Ein Computercluster kann genutzt werden, indem Frequenzsweeps verwendet werden, die für schnelle Berechnungen nach Frequenz auf mehrere Computer in einem Cluster verteilt werden, oder indem große Modelle mit einem direkten Löser gelöst werden, für den Distributed Memory (MPI) verwendet wird.

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Weitere Bilder

  • ANTENNENMODELLIERUNG: Übungsmodell einer zweiarmigen Spiralantenne aus der Modellbibliothek des RF Module ANTENNENMODELLIERUNG: Übungsmodell einer zweiarmigen Spiralantenne aus der Modellbibliothek des RF Module
  • SIMULATION EINES ELEKTROMAGNETISCHEN FELDS: Die verteilte Wärmequelle wird in einer stationären, frequenzbereichsbezogenen elektromagnetischen Analyse berechnet. Daran schließt sich eine transiente Wärmeübertragungssimulation an, die veranschaulicht, wie sich die Wärme in dem Lebensmittel im Mikrowellenofen verteilt. SIMULATION EINES ELEKTROMAGNETISCHEN FELDS: Die verteilte Wärmequelle wird in einer stationären, frequenzbereichsbezogenen elektromagnetischen Analyse berechnet. Daran schließt sich eine transiente Wärmeübertragungssimulation an, die veranschaulicht, wie sich die Wärme in dem Lebensmittel im Mikrowellenofen verteilt.
  • ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN: Eine schräge TEM-Welle fällt auf ein Golddrahtgitter ein. In der Einheitszelle der periodischen Struktur werden die Drähte dargestellt. ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN: Eine schräge TEM-Welle fällt auf ein Golddrahtgitter ein. In der Einheitszelle der periodischen Struktur werden die Drähte dargestellt.
  • ENTWURF EINER 
MIKROSTREIFENANTENNE: Das Antennendiagramm einer Mikrostreifen-Patch-Antenne wird mit den schnellen Fernfeldplots für 3D, 2D und 3D-Schnittebenen visualisiert. ENTWURF EINER MIKROSTREIFENANTENNE: Das Antennendiagramm einer Mikrostreifen-Patch-Antenne wird mit den schnellen Fernfeldplots für 3D, 2D und 3D-Schnittebenen visualisiert.

Analyseoptionen bei elektromagnetischen Simulation

ZUGRUNDELIEGENDE GLEICHUNGEN

Das RF Module simuliert elektromagnetische Felder in 3D, 2D und 2D achsensymmetrisch sowie Übertragungsleitungsgleichungen in 1D und (dimensionslose) Schaltkreismodellierung mit SPICE-Netzlisten. Der 3D-Ansatz basiert auf den Maxwell-Gleichungen, in der vektorielle Kantenelemente verwendet werden, und umfasst Materialeigenschaftenbeziehungen zum Modellieren von dielektrischen, metallischen, dispersiven, verlustbehafteten, anisotropen, gyrotropischen und gemischten Medien. Die 2D-Ansätze können sowohl für Polarisationen in der Ebene als auch aus der Ebene heraus gleichzeitig oder getrennt voneinander sowie für Wellenausbreitungen aus der Ebene heraus berechnet werden. Die Ansätze für 2D-Achsensymmetrie können sowohl für azimutale und Längsfelder gleichzeitig oder getrennt sowie für einen bekannten Azimutalmodus berechnet werden.

FORMULIERUNG DER FELDER

Es sind Formulierungen für das volle Feld und mit Hintergrundfeld verfügbar. In der Formulierung für das volle Feld wird das gesamte Feld berechnet, das von allen in das Modell einbezogenen Quellen verursacht wird. Für den Hintergrundwellenansatz wird dagegen ein bekanntes Hintergrundfeld aus einer externen Quelle angenommen – eine übliche Vorgehensweise für Radarquerschnittsmodelle und Modelle für die elektromagnetische Streuung.

RANDBEDINGUNGEN

Es sind Randbedingungen verfügbar, mit denen elektrisch perfekt leitende Oberflächen, Oberflächen mit begrenzter Leitfähigkeit sowie Flächen modelliert werden können, die dünnen verlustbehafteten Ränder im Modell entsprechen können. Symmetrie- und periodische Randbedingungen ermöglichen es Ihnen, eine Teilmenge des gesamten Modellraums zu modellieren, und Streuungsrandbedingungen sowie PMLs (Perfectly Matched Layers) werden verwendet, um Grenzflächen zum freien Raum zu modellieren. Es gibt verschiedene Anregungsrandbedingungen für das Modellieren von Ports: Zur Auswahl stehen rechteckig, Ringkontakt-, periodisch, koaxial, benutzerdefiniert und numerisch präzise berechnete Anregung. Sie können Randbedingungen einbeziehen, die Kabelabschlüssen oder punktförmigen kapazitiven, induktiven oder ohmschen Elementen entsprechen. Zur schnellen Erstellung von Prototypen sind auch Linienströme und Punktdipole verfügbar.

LÖSUNGSTYPEN

Simulationen können als Eigenwertprobleme, Frequenzbereichsprobleme oder vollständig transiente Lösungen konfiguriert werden. Mit Eigenwertproblemen können die Resonanzen und Q-Faktoren einer Struktur sowie die Ausbreitungskonstanten und Verluste in Wellenleitern ermittelt werden. In Aufgabenstellungen im Frequenzbereich können die elektromagnetischen Felder bei einer einzelnen Frequenz oder über einen Bereich von Frequenzen berechnet werden. Schnelle Frequenzsweeps, für die die Methode der Padé-Approximationen verwendet wird, können die Berechnungszeiten drastisch verkürzen, wenn das Verhalten über einen Frequenzbereich berechnet wird. Transiente Simulationen sind sowohl für die vektorielle Formulierung zweiter Ordnung als auch die speichereffizientere unstetige Galerkin-Methode erster Ordnung verfügbar. Transiente Simulationen werden zum Modellieren von nicht linearen Materialien, Signallauf- und -rücklaufzeiten sowie zum Modellieren von sehr breitbandigem Verhalten verwendet.

MULTIPHYSIKALISCHE KOPPLUNGEN

Die Gleichungen in allen Modellen, die in COMSOL Multiphysics entwickelt wurden, können vollständig gekoppelt werden, sodass sich die elektromagnetischen Felder auf andere physikalische Effekte auswirken oder sich von ihnen beeinflussen lassen. Für eine Erweiterung der Simulationsmöglichkeiten über die herkömmliche Analyse der Leistungsabgabe hinaus sorgt besonders das hierfür bestimmte Interface für die Mikrowellenerwärmung mit Funktionen wie SAR-Berechnungen und präzisen Vorhersagen von Erwärmung. Durch Lösen der Maxwell-Gleichungen im Frequenzbereich und der Wärmeübertragungsgleichung im stationären oder Zeitbereich ist es möglich, die Erwärmung im zeitlichen Verlauf sowie die Auswirkungen zu berechnen, die unterschiedliche Materialeigenschaften auf die Temperatur haben.

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Erweiterbare Ergebnisse von Mikrowellen- und HF-Simulationen

Die Ergebnisse von Berechnungen werden mithilfe vordefinierter Plots von elektrischen und magnetischen Feldern, S-Parametern sowie Leistungsfluss und Verluste dargestellt. Ein schnelles Nachbearbeitungswerkzeug ermöglicht schnelles Generieren von Fernfeld-Strahlungsmustern. Zudem können die Ergebnisse der Simulation durch Plots von benutzerdefinierten Ausdrücken physikalischer Größen oder in Tabellen dargestellt werden. S-Parameter-Matrizen können im Touchstone-Format exportiert werden, und alle Daten können als Tabellen, Textdateien, Rohdaten und Bilder exportiert werden.

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Der Arbeitsablauf ist unkompliziert und kann durch die folgenden Schritte beschrieben werden: Definieren der Geometrie durch die von COMSOL zur Verfügung gestellten Werkzeuge oder durch Import der CAD-Konstruktion, Auswählen von Materialien, Auswählen eines geeigneten Benutzerinterfaces und Analysetyps, Definieren von Ports und Randbedingungen, automatisches Erstellen des Finite-Elemente-Netzes, Lösen mit optionaler adaptiven Netzverfeinerung, Visualisieren der Ergebnisse und Nachbearbeiten der Ergebnisse. Alle Schritte werden im COMSOL Desktop® ausgeführt. Die Löserschritte verwenden automatisch Standardeinstellungen, die für jedes HF-Interface abgestimmt sind. Diese können aber auch vom Benutzer konfiguriert werden.

Viele Beispielmodelle für HF- und Mikrowellenkonstruktionen

In der RF Module Modellbibliothek sind die Interfaces und deren spezielle Funktionen anhand von Übungs- und Benchmarkbeispielen beschrieben. Die Bibliothek enthält Modelle für Antennen, Ferritbauelemente, Mikrowellenerwärmungsphänomene, passive Bauelemente, Streuungs- und Radarquerschnittsanalysen, Übertragungsleitungen und Wellenleiter in HF- und Mikrowellentechnik, Übungsmodelle zur Schulung sowie Benchmarkmodelle zur Überprüfung und Validierung der HF-Interfaces.

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