Bei der Entwicklung von hochwertigen HF-Geräten mit Bandpassfilter unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode im Frequenzbereich werden Sie wahrscheinlich an einen Punkt kommen, an dem Sie viele Frequenzen verwenden müssen, um den Durchlassbereich genauer zu beschreiben. Die Simulationszeit ist direkt proportional zur Anzahl der in der Simulation eines Mikrowellengeräts enthaltenen Frequenzen, wobei die Zeit zunimmt, je feiner die Frequenzauflösung wird. Zwei leistungsstarke Simulationsmethoden im RF Module, einem Add-On zur Software COMSOL Multiphysics®, beschleunigen die Modellierung solcher Geräte.
Anmerkung des Herausgebers: Dieser Blog-Beitrag wurde ursprünglich am 4. Juli 2016 veröffentlicht. Er wurde seitdem aktualisiert, um die aktuelle Funktionalität und Ergebnisdarstellung widerzuspiegeln.
Kurze Einführung in die beiden HF-Simulationsmethoden
Die beiden Simulationsmethoden, die wir in unserem heutigen Blog-Beitrag besprechen, werden die AWE-Methode (Asymptotic Waveform Evaluation) und die FDM-Methode (Frequency-Domain Modal) genannt. Beide Methoden sollen Ihnen dabei helfen, das herkömmliche Problem einer längeren Simulationszeit bei der Verwendung einer sehr feinen Frequenzauflösung oder der Durchführung einer Ultrabreitband-Simulation mit einer regulären Studie Frequency Domain zu überwinden. Die AWE-Methode ist sehr effizient bei der Beschreibung von glatten Frequenzgängen mit einer einzelnen Resonanz oder gar keiner Resonanz. Die FDM-Methode ist nützlich für die schnelle Analyse von mehrstufigen Filtern oder von Filtern mit einer hohen Anzahl von Elementen, die mehrere Resonanzen in einem Ziel-Durchlassbereich aufweisen. In den nächsten beiden Abschnitten werden wir typische Einstellungen und Anwendungsfälle besprechen.
Die AWE- und die FDM-Methode sind beide nahezu unabhängig von der gewählten Frequenzschrittweite. Sie können den Wert des Frequenzschritts beliebig verringern und erhalten einen gut aufgelösten Plot ohne nennenswerte Verlangsamung oder zusätzlichen Speicherverbrauch. Es gibt jedoch einen Nachteil: Die Verringerung des Wertes des Frequenzschritts kann sich auf die Menge der als endgültige Lösung gespeicherten Daten auswirken. Im Abschnitt über Datenverwaltung in diesem Blog-Beitrag finden Sie Empfehlungen, die eine deutliche Reduzierung der Größe der Ausgabedatei ermöglichen.
Vor der Durchführung einer AWE- oder einer FDM-Berechnung mit der feinen Auflösung kann es nützlich sein, eine vorläufige Eigenfrequenz-Simulation und eine reguläre Frequenzbereichs-Simulation mit einer groben Frequenzauflösung durchzuführen. Dies würde Ihnen eine schnelle und wertvolle Einschätzung der Resonanzorte und ein allgemeines Verständnis der Frequenztrends des Systems geben, einschließlich der tatsächlichen Durchlassbereiche und der gewünschten Frequenzauflösung.
AWE-Methode zur Modellierung mit reduzierter Ordnung
Für unsere Zwecke wäre es zu technisch, über die numerischen Eigenschaften und mathematischen Algorithmen von AWE, einer anspruchsvollen Modellierungstechnik reduzierter Ordnung, zu sprechen. Stattdessen werden wir die Verwendung dieser Methode im RF Module erläutern. Ab Version 6.2 von COMSOL Multiphysics® gibt es einen eigenen Studienschritt Adaptive Frequency Sweep, der die AWE-Methode implementiert. Wenn Sie dieses Feature verwenden, sollten Sie einen angestrebten Ausgangsfrequenzbereich angeben und einen Ausdruck für die Fehlerabschätzung durch den AWE-Algorithmus auswählen. Im Hintergrund führt der Löser ein adaptives Fast-Frequency-Sweeping durch und verwendet standardmäßig Padé-Approximationen.
Die Studieneinstellungen von Adaptive Frequency Sweep mit dem standardmäßigen Ausdruck Asymptotic waveform evaluation (AWE) expression.
Die AWE-Methode ist sehr nützlich bei der Simulation von Resonanzkreisen, insbesondere von Bandpassfilter-Geräten mit vielen Frequenzpunkten. Das Tutorial-Modell Evanescent Mode Cylindrical Cavity Filter, das in der Application Library verfügbar ist, tastet die Simulationsfrequenz zunächst über eine reguläre Studie Frequency Domain mit einem Frequenzschritt von 5 MHz zwischen 3,45 GHz und 3,61 GHz ab.
Das Tutorial-Modell Evanescent Mode Cylindrical Cavity Filter (links) und die Ergebnisse des diskreten Frequenz-Sweeps (rechts). Der Plot der S-Parameter sieht um die Resonanzfrequenz herum nicht glatt aus.
Angenommen, Sie möchten die Simulation mit einer viel feineren Frequenzauflösung erneut ausführen, etwa mit einem 50-mal feineren Frequenzschritt von 100 kHz. Sie können davon ausgehen, dass die Simulation 50-mal länger dauert. Wenn Sie jedoch die Studie Adaptive Frequency Sweep in diesem konkreten Beispielmodell verwenden, ist die Simulationszeit fast dieselbe wie beim regulären Frequenz-Sweep, doch wir können alle berechneten Lösungen für die abhängige Variable mit dem Frequenzschritt von 100 kHz erhalten.
Die Simulationszeit kann je nach Eingabe in die AWE-Ausdrücke bis zu einem gewissen Grad variieren. Jede Modellvariable funktioniert als AWE-Ausdruck, solange sie einen glatten Plot wie einen Gaußschen Impuls oder eine glatte Kurve als Funktion der Frequenz erzeugt. Ein globaler Ausdruck, der auf S-Parametern basiert, ist jedoch die naheliegende und typische Wahl. So eignet sich im Fall eines Bandpassfilters mit zwei Anschlüssen etwa der absolute Wert von S21 (abs(comp1.emw.S21)) sehr gut als Eingabe für den AWE-Ausdruck. Wenn der Frequenzgang des AWE-Ausdrucks einen unendlichen Gradienten enthält, was beim S11-Wert einer Antenne mit hervorragender Impedanzanpassung an einem einzelnen Frequenzpunkt der Fall ist, dauert die Simulation länger. Wenn der Verlust durch die Antenne vernachlässigbar ist, kann eine alternative Formel wie sqrt(1-abs(comp1.emw.S11)^2) besser funktionieren und die Berechnungszeit verkürzen. Die oben genannten Ausdrücke sind die standardmäßigen Auswahlmöglichkeiten Physics controlled für Asymptotic waveform evaluation (AWE) expression. Zur Überprüfung der Plausibilität können Sie jederzeit einen vorläufigen Sweep Frequency Domain mit grober Auflösung durchführen, die Ausdrücke als Plot darstellen und den glattesten auswählen.
Wenn Sie bereit sind, den Adaptive Frequency Sweep auszuführen, vergessen Sie nicht, in den Studieneinstellungen den gewünschten feineren Frequenzschritt zu verwenden. Sobald die Simulation abgeschlossen ist, werden Sie feststellen, dass die Simulationszeit fast der des diskreten Sweeps entspricht. Nun vergleichen wir die berechneten S-Parameter. Da der AWE-Löser einen 50-mal feineren Frequenzdurchlauf durchgeführt hat, sieht der Plot seines Frequenzgangs (S-Parameter) viel besser aus. Mit diesem Ansatz sparen Sie nicht nur wertvolle Zeit, sondern erhalten auch, wie der Plot unten zeigt, immer noch genaue und gut aussehende Ergebnisse mit einer genaueren Bestimmung der Resonanzfrequenz. Zur Bestätigung können Sie einen regulären Sweep mit derselben Auflösung durchführen und überprüfen, dass die Ergebnisse in perfekter Korrelation stehen.
S-Parameter-Plot, der aus der Simulation Adaptive Frequency Sweep (AWE) und der diskreten Simulation Frequency Domain resultiert. Die Auflösung der AWE-Ergebnisse ist 50-mal feiner.
Die Modal-Methode im Frequenzbereich erfasst die Resonanz von Schaltkreisen
Die Bandpass-Frequenzgänge einer passiven Schaltung ergeben sich aus einer Kombination mehrerer Resonanzen, sodass die FDM-Methode die optimale Wahl für die Beschleunigung ihrer Modellierung ist. Normalerweise umfasst sie zwei aufeinanderfolgende Schritte. Die Eigenfrequenzanalyse ist entscheidend für die Erfassung der Resonanzfrequenzen einer beliebigen Form eines Geräts. Sobald wir alle erforderlichen Informationen aus der Eigenfrequenzanalyse erhalten haben, können wir sie in der FDM-Studie wiederverwenden. Dadurch können wir, wie in der AWE-Methode dargestellt, die Effizienz der Simulation optimieren, wenn eine feinere Frequenzauflösung erforderlich ist, um den Frequenzgang genauer zu beschreiben.
Um eine FDM-Analyse nahtlos durchzuführen, sind einige Aspekte zu beachten. Einerseits müssen Sie alle unerwünschten unphysikalischen niederfrequenten Rückstände herausfiltern, die in der Lösung Eigenfrequency vorhanden sein können. Andererseits müssen Sie alle physikalischen Moden berücksichtigen, die die Leistung des Geräts im angestrebten Frequenzbereich beeinflussen können, um korrekte Ergebnisse zu erhalten. Um beide Anforderungen zu erfüllen, müssen die Einstellungen der Studie Eigenfrequency (siehe folgende Abbildung) angepasst werden. Zunächst ist es vorteilhaft, Larger real part als Search method around shift auszuwählen. Als Nächstes dient für die Einstellung Search for eigenfrequencies around die niedrigste Frequenz des Durchlassbereichs als Richtwert. Schließlich muss die Einstellung Desired number of eigenfrequencies angepasst werden (etwa auf der Grundlage von Vorversuchen), um die erforderliche Anzahl von Moden zu berücksichtigen.
Die zweistufige Studie Frequency Domain, Modal wird dem Modell hinzugefügt. Die Einstellungen von Eigenfrequency sind hier hervorgehoben.
Um eine FDM-Analyse auszuprobieren, werfen wir einen Blick auf das Tutorial-Modell Coupled Line Filter, das in unserer Application Gallery verfügbar ist. Zunächst sweept die Simulationsfrequenz zwischen 3,00 GHz und 4,20 GHz mit einem Frequenzschritt von 50 MHz innerhalb einer regulären Studie Frequency Domain.
Das Tutorial-Modell Coupled Line Filter (links) und die Ergebnisse seines diskreten Frequenz-Sweeps (rechts) mit einer Auflösung von 50 MHz. Der Plot der S-Parameter sieht über den angestrebten Durchlassbereich nicht glatt aus.
Als Nächstes können Sie die Studie Frequency Domain, Modal anwenden und die Einstellungen für jeden Studienschritt wie zuvor beschrieben konfigurieren. Führen Sie die Studie mit einem 50-mal feineren Frequenzschritt durch und überprüfen Sie die Ergebnisverbesserung. Genau wie bei der AWE-Methode sieht der von der FDM-Studie zurückgegebene S-Parameter-Plot glatter und informativer aus. So werden beispielsweise alle Wellen des S11-Parameters angezeigt, die anfangs fehlten. Zur Bestätigung können Sie einen regulären Sweep mit derselben Auflösung durchführen und überprüfen, dass die Ergebnisse in perfekter Korrelation stehen.
Die Eigenfrequenzanalyse enthält einen Lumped Port, der sich als zusätzlicher Belastungsfaktor auf die Simulation auswirkt, sodass die Phase der berechneten S-Parameter von der des regulären Frequenz-Sweep-Modells abweicht. Die Ergebnisse sind nur mit phasenunabhängigen S-Parameterwerten wie dB-skaliert, Absolutwert, Reflektivität oder Transmittivität kompatibel.
S-Parameter-Plot, der aus der Simulation Frequency Domain, Modal (FDM) und der diskreten Simulation Frequency Domain resultiert. Die Auflösung der FDM-Ergebnisse ist 50-mal feiner.
Auch wenn es nicht unmittelbar mit dem ursprünglichen Thema zu tun hat, werden Sie in der letzten Abbildung vielleicht die speziellen Graph Markers bemerken, die alle lokalen Minima des S11-Parameter-Plots sowie den Durchlassbereich für den S21-Parameter-Plot hervorheben. Zusammen mit der interaktiven Ergebnisextraktion aus dem Graph Plot, einer weiteren aktuellen Verbesserung der Ergebnisauswertungsfunktionalität in COMSOL Multiphysics®, erhöht dies den informativen und interaktiven Wert der Ergebnisse auf ein neues Niveau.
Datenverwaltung bei der Arbeit mit hoher Frequenzauflösung
Wie bereits erwähnt, gibt es keine wirklichen Grenzen für die Verfeinerung eines Frequenz-Sweeps mit dem AWE- oder FDM-Ansatz. Bei einer sehr feinen Auflösung würden die Lösungen jedoch eine große Menge an Daten enthalten. Infolgedessen würde die Größe der Modelldatei beim Speichern erheblich zunehmen. Bei den meisten passiven HF- und Mikrowellengeräten sind nur die S-Parameter von Interesse, und in solchen Fällen ist es nicht notwendig, alle Feldlösungen zu speichern. Durch Auswahl der entsprechenden Option im Abschnitt Store in Output einer Studie können wir den Teil des Modells steuern, in dem die berechnete Lösung gespeichert wird. So können wir etwa nur die Auswahl oder die Auswahlen hinzufügen, die die Ränder enthalten, an denen die S-Parameter berechnet werden. Dies sind die als Ports oder Lumped Ports festgelegten Ränder, die im Vergleich zum gesamten Modellierungsgebiet in der Regel klein sind, sodass die Gesamtgröße der Datei drastisch reduziert werden kann.
Eine solche explizite Auswahl kann beim Einrichten eines Ports hinzugefügt werden, indem Sie nach der Auswahl auf das Symbol Create Selection im Abschnitt Boundary Selection klicken. Anschließend können Sie die erforderlichen expliziten Auswahlen, die aus den Ports erstellt wurden, im Abschnitt Store in Output eines relevanten Studienschritts hinzufügen.
Der Abschnitt Store in Output des Studienschritts Frequency Domain, Modal mit zwei Auswahlen Lumped Port. Sie können die Position dieser Auswahlen im Fenster Graphics überprüfen.
Beispiele aus der Application Gallery
Die in diesem Blog-Beitrag vorgestellten Simulationsmethoden sind leistungsstarke Werkzeuge für eine schnellere und effizientere Modellierung von passiven HF- und Mikrowellengeräten. Die folgenden Beispiele aus der Application Gallery können Sie bei der Anwendung dieser Techniken weiter unterstützen:
- AWE-Methode
- FDM-Methode
Denken Sie daran, dass die hier vorgestellten Methoden und Studien universell sind und nicht nur für die HF-Modellierung zur Verfügung stehen. Sie können auch bei der Durchführung von akustischen, mechanischen, MEMS- und wellenoptischen Berechnungen von diesen Methoden profitieren.
Nächste Schritte
Erfahren Sie mehr über andere spezielle Features, die für Ihre HF- und Mikrowellenmodellierung verfügbar sind:
Kommentare (0)