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COMSOL Multiphysics® 6.1 Release Highlights

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RF Module Updates

Für Nutzer des RF Module bietet COMSOL Multiphysics® Version 6.1 neue Funktionen für elektrostatische Entladungen und Blitzschläge, die Möglichkeit, leitende Ränder schnell durch das Anklicken von Gebieten zu definieren, sowie Verbesserungen der Benutzerfreundlichkeit für eine Vielzahl von Features und Funktionen. Hier erfahren Sie mehr über alle Updates des RF Module.

Elektrostatische Entladung und Blitzschläge

Elektrostatische Entladungen (ESD) und Blitze können schädliche Auswirkungen auf elektronische Komponenten haben. Daher ist die Modellierung von ESD und Blitzen in vielen Branchen von großer Bedeutung. Sowohl die Funktionen Lumped Port als auch Edge Current im Interface Electromagnetic Waves, Transient unterstützen jetzt vordefinierte und parametrisierte zeitliche Pulsfunktionen, die häufig zur Beschreibung von ESD und Blitzen verwendet werden. Zur leichteren Überprüfung können die Pulsformen vor der Ausführung der Simulation sofort angezeigt werden, um sicherzustellen, dass die gewählten Funktionsparameter geeignet sind.

Ein Modell eines menschlichen Fingers und ein Modell einer Leiterplatte mit Stromlinien in der Rainbow-Farbtabelle.
Eine Visualisierung der Auswirkungen elektrostatischer Entladung auf eine Leiterplatte. Das erweiterte menschliche Körpermodell in der transienten Funktion Lumped Port beschreibt mehrere Stromstöße innerhalb eines kurzen Zeitraums.

Lumped Port Feature im Electromagnetic Waves, Boundary Elements Interface

Die Funktion Lumped Port wird bei der Verwendung des Interfaces Electromagnetic Waves, Frequency Domain allgegenwärtig zur Anregung und zum Abschluss von Antennen, Übertragungsleitungen und anderen Geräten verwendet. Diese Funktion ist jetzt auch im Interface Electromagnetic Waves, Boundary Elements verfügbar und umfasst die Lumped-Port-Typen Coaxial, User Defined, Via und Uniform.

Eine Dipol-Antennengruppe, die hauptsächlich in Orange, Gelb und Rot dargestellt ist, mit Wellen in der Mitte.
Die dominante Polarisations-x-Komponente des elektrischen Feldes und das Fernfeld-Gewinndiagramm einer 15x2 Halbwellen-Dipol-Antennengruppe. Jedes Antennenelement wird mit dem benutzerdefinierten Lumped Port-Typ angeregt.

Dielektrischer Streuer im Electromagnetic Waves, Boundary Elements Interface

Die Wechselwirkung von elektromagnetischen Wellen mit dielektrischen Objekten wird jetzt für die Randelemente-Methode unterstützt, einschließlich der Berechnung der zugehörigen Fernfeld-Streuungseigenschaften. Diese neue Funktionalität ist im Interface Electromagnetic Waves, Boundary Elements verfügbar. Sie erfordert das Hinzufügen eines Knotens Wave Equation, Electric zu jedem dielektrischen Streuungsgebiet. Außerdem kann ein Knoten Far-Field Calculation hinzugefügt werden, um Fernfeldgrößen, wie zum Beispiel das Strahlungsmuster, auszuwerten.

Layered Impedance Boundary Condition

Eine neue Funktion ermöglicht es Ihnen, mehrere dünne Schichten auf einem Substrat mit geringer Eindringtiefe zu modellieren, wie zum Beispiel dünne dielektrische Schichten auf einer Metalloberfläche. Solche dünnen Schichten lassen sich mit der Funktion Layered Impedance Boundary Condition beschreiben, die im Interface Electromagnetic Waves, Frequency Domain verfügbar ist. Dazu müssen Sie ein Layered Material im globalen Knoten Materials und einen Layered Material Link im Knoten Materials kombinieren.

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Linearly Polarized Plane Wave Hintergrundfeld in 2D-Achsensymmetrie

Der Hintergrundfeldtyp Linearly polarized plane wave mit beliebiger Polarisation und beliebigem Einfallswinkel ist jetzt für 2D-Achsensymmetrie verfügbar und verwendet eine Expansionsmethode. Er eignet sich für die Modellierung der Streuung von Rotationskörpern unter Anregung durch ebene Wellen. Im Vergleich zur Modellierung desselben Problems in 3D benötigt das achsensymmetrische 2D-Modell deutlich weniger Speicherplatz und Zeit, insbesondere bei elektrisch großen Streuern, und ermöglicht die Verwendung eines dichteren Netzes zur Verbesserung der Genauigkeit. Wenn Sie das Hintergrundfeld Linearly polarized plane wave in der 2D-Achsensymmetrie verwenden, wird automatisch ein Hilfssweep der azimutalen Modenzahl hinzugefügt. Um die vollständige Lösung zu erstellen, müssen Sie bei der Nachbearbeitung die Beiträge der einzelnen azimutalen Moden addieren. Sie können diese Funktion in dem neuen Modell Cloaking of a Cylindrical Scatterer with Graphene (Wave Optics) sehen.

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Darstellung des analytischen Port-Modenfeldes vor der Berechnung

Die Modenfelder der Porttypen Rectangular, Circular, und Coaxial werden durch analytische Funktionen beschrieben. In dieser Version können diese Arten von Port-Moden vor der Ausführung der Simulationen in der Vorschau angezeigt werden, unter der Bedingung, dass die Port-Ränder parallel zu den Hauptachsen liegen.

Die COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche zeigt den Model Builder mit der ausgewählten Port-Bedingung, das entsprechende Einstellungsfenster, ein Grafikfenster mit einem H-Bogen-Modell und ein Port Tangential Mode Field-Fenster mit einem Modenfeld in der Rainbow-Farbtabelle.
Die Port Einstellungen und das Feld für den rechteckigen TE10 Modus. Die Schaltfläche Plot befindet sich neben dem Kombinationsfeld Modustyp.

Bessere Benutzerfreundlichkeit bei der Zuweisung von leitenden Gebieten

Wenn Gebiete mit hochleitenden Materialien gefüllt sind, müssen sie normalerweise nicht explizit modelliert werden. Vielmehr müssen ihre Ränder modelliert werden. Die Randbedingungen Perfect Electric Conductor (verlustfrei) und Impedance Boundary Condition (verlustbehaftet) können auf die Ränder eines leitfähigen Gebiets angewendet werden, wobei das Innere des Gebiets entfernt wird. Wenn das leitfähige Gebiet viele Ränder enthält, ist es oft umständlich, die Randbedingungen auf alle einzeln anzuwenden. In Version 6.1 können die neuen Gebietsbedingungen Perfect Electric Conductor und Impedance Boundary Condition direkt auf das leitende Gebiet angewendet werden, ohne dass Sie alle Ränder lokalisieren oder das Innere manuell entfernen müssen. Die Funktionen für leitenden Gebiete sind in den folgenden Modellen verfügbar:

Die COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche zeigt den Model Builder mit der ausgewählten Funktion Perfect Electric Conductor, den entsprechenden Einstellungen und dem Grafikfenster, das eine Auto-Geometrie zeigt.
Die leitfähigen Außenflächen eines Kabelbaums und der Boxen werden durch die Auswahl volumetrischer Bereiche mit der Funktion Perfect Electric Conductor festgelegt.

Skin Depth Calculator

Eine neue Funktion kann verwendet werden, um die Eindringtiefe zu berechnen, die durch die elektrische Leitfähigkeit oder den spezifischen Widerstand eines Materials definiert werden kann. Damit können Sie feststellen, ob die Anwendung einer bestimmten Randbedingung angemessen ist. Der Skin Depth Calculator ist in den Einstellungen der Funktionen Impedance Boundary Condition, Transition Boundary Condition, Layered Impedance Boundary Condition und Layered Transition Boundary Condition verfügbar. Die Funktion Skin Depth Calculator ist in den folgenden Modellen zu sehen:

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Neues benutzerfreundliches Symmetry Plane Feature

Das Feature Symmetry Plane vereinfacht die Definition von Symmetrieebenen für perfekte elektrische Leiter (PEC) und perfekte magnetische Leiter (PMC). Diese Funktion wird anstelle der Randbedingungen Perfect Electric Conductor und Perfect Magnetic Conductor verwendet, wenn die Modellgröße aus Symmetrieüberlegungen reduziert wird. Außerdem werden die Informationen über den Typ und die Position der Symmetry Plane Features bei der Berechnung von Fernfeldern und bei der Definition von analytischen Port-Modenfeldern und der Lumped-Port-Impedanz verwendet. Sie können sich dieses neue Feature in dem bestehenden Modell Microwave Oven ansehen.

Die COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche zeigt den Model Builder mit dem ausgewählten Knoten Symmetry Plane, das entsprechende Einstellungen-Fenster und das Grafikfenster mit dem Modell Microwave Oven.
Die Verwendung von Symmetry Plane Knoten, das berechnete elektrische Feld und die Wärmeverteilung im Tutorial-Modell Microwave Oven.

Array-Faktor-Datensatz für die schnelle Bewertung der Leistung von Antennen-Arrays

Die Visualisierung eines virtuellen Antennen-Arrays kann durch die Kombination der Array-Faktor-Funktion und des Fernfeldes einer einzelnen Antenne realisiert werden. Dieser Prozess erfordert oft einen langwierigen Ausdruck, ist aber mit dem neuen Datensatz Array Factor jetzt einfacher zu handhaben. Alle Eingabeargumente für die Array-Funktion können intuitiv zum Datensatz Array Factor hinzugefügt werden. Wenn ein einfacher Ausdruck für das Fernfeld oder die Verstärkung einer einzelnen Antenne in einem Strahlungsdiagramm verwendet wird, während der Datensatz für Array Factor konfiguriert ist, werden der Ausdruck und die Array-Faktor-Funktion automatisch kombiniert und ein virtuelles Array-Strahlungsdiagramm erzeugt. Diese Funktion ist in den bestehenden Modellen Microstrip Patch Antenna und Modeling of a Phased Array Antenna zu sehen.

Die COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche zeigt den Model Builder mit dem ausgewählten Array-Faktor-Datensatz, den entsprechenden Einstellungen und dem Grafikfenster mit einem Vergleichsdiagramm für die Arrayverstärkung.
Der Datensatz Array Factor benötigt die Größe des Arrays, die Phasenverschiebung für die Strahlsteuerung, die Verschiebung oder den Abstand zwischen den Arrayelementen in Form von Wellenlängen und die Funktion, die auf einen Ausdruck für das Fernfeld einer einzelnen Antenne angewendet wird.

Schnelle Netzverfeinerung an den Rändern der Fernfeldberechnung

In den physikgesteuerten Netzeinstellungen des Interfaces Electromagnetic Waves, Frequency Domain gibt es ein Kontrollkästchen Add far-field boundary layers. Wenn Sie dieses Kontrollkästchen aktivieren, wird in den Rändern der Fernfeldberechnung neben der Auswahl von Streuungsrandbedingungen oder Perfectly Matched Layers ein Randschichtnetz mit einer Dicke von 1/40 der maximalen Standardnetzgröße erstellt. Auf diese Weise erhalten Sie genauere Fernfeld-Analyseergebnisse wie die Gesamtstrahlungsleistung (emw.TRP) und den Radarquerschnitt (RCS) (emw.bRCS3D).

Die COMSOL Multiphysics-Benutzeroberfläche zeigt den Model Builder mit einem ausgewählten Netz, die entsprechenden Einstellungen, ein Grafikfenster mit einem Randschichtnetz und ein zweites Grafikfenster, das nur einen Teil des Netzes zeigt.
Das Randschichtnetz (dunkelrot) wird an den gemeinsamen Rändern zwischen den Perfectly Matched Layers und dem Fernfeldbereich erzeugt, wenn die Option Add far-field boundary layers aktiviert ist.

Four-Port Network

Das Interface Electromagnetic Waves, Frequency Domain enthält jetzt die Randbedingung Four-Port Network, die die Reaktion einer Four-Port-Netzwerkkomponente mit S-Parametern charakterisiert. Sie können eine Touchstone-Datei importieren, um mit Hilfe von Four-Port-Randbedingungen das physikalische Verhalten und die Reaktion eines Geräts oder Systems mit vier Anschlüssen zu beschreiben, ohne sich mit einer komplizierten Geometrie auseinandersetzen zu müssen.

Die COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche zeigt den Model Builder mit der ausgewählten Randbedingung Four-Port Network, das entsprechende Einstellungen-Fenster und das Grafikfenster, das ein Gerät mit vier Anschlüssen zeigt.
Ein kompliziertes Gerät mit vier Anschlüssen kann auf eine einfache Netzwerkfunktion mit vier Anschlüssen reduziert werden, bei der das Gerät mit einem Touchstone-Dateiimport charakterisiert wird.

Finite Element Method (FEM)–Boundary Element Method (BEM) Multiphysik-Kopplung

Eine neue FEM-BEM-Kopplungsfunktion vereinfacht die Einrichtung von hybriden FEM-BEM-Modellen für elektromagnetische Wellen. Sie ist im Modellassistenten als Multiphysik-Interface Electromagnetic Waves, FEM-BEM verfügbar, das die Interfaces Electromagnetic Waves, Frequency Domain und Electromagnetic Waves, Boundary Elements mit einer neuen Multiphysik-Kopplungsfunktion Electric Field Coupling kombiniert.

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Upwind Flux Formulierung

Der Parameter Flux type im Knoten Wave Equations für das Interface Electromagnetic Waves, Time Explicit enthält jetzt auch eine Option Upwind flux. Diese Option kann verwendet werden, um S-Parameter-Berechnungen zu verbessern, die aufgrund von Überdissipation an den Rändern perfekter elektrischer Leiter (PEC), die bei Verwendung der standardmäßigen Lax-Friedrichs-Flussparameter auftreten kann, eine geringe Genauigkeit aufweisen.

Die COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche zeigt den Model Builder mit dem ausgewählten Knoten Wave Equations, den entsprechenden Einstellungen und zwei Plots im Grafikfenster.
Das Einstellungen-Fenster für den Knoten Wave Equations, das die neue Option Upwind flux für den Parameter Flux type zeigt. Die Formulierung des Aufwindflusses (Plot 1) hilft, die Überdissipation (Plot 2) an scharfen PEC-Kanten zu unterdrücken.

Weak Port-Formulierung

Bei der Expansion des elektrischen Feldes an einem Port-Rand fügt die neue Weak Port-Formulierung eine skalare abhängige Variable für den Expansionskoeffizienten (den S-Parameter) hinzu und löst dann die S-Parameter und das tangentiale elektrische Feld am Rand mithilfe eines schwachen Ausdrucks. Da keine Beschränkungen verwendet werden, entfällt bei dieser Formulierung der Schritt der Eliminierung von Beschränkungen beim Lösen vollständig. Diese neue Port-Formulierung ersetzt die beschränkungsfreie Port-Formulierung, die in Version 6.0 eingeführt wurde.

Sie finden diese neue Port-Formulierung in fast allen portbasierten Tutorial-Modellen, wie zum Beispiel:

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Kovariante Formulierung in 2D-Achsensymmetrie

In der achsensymmetrischen 2D-Formulierung ist es vorteilhaft, die abhängige Variable außerhalb der Ebene zu formulieren als

,

was als kovariante Formulierung bezeichnet wird. Dabei ist Ψ die abhängige Variable und ist die radiale Koordinate. Die Komponente des elektrischen Feldes außerhalb der Ebene wird dabei wie folgt berechnet:

Die kovariante Formulierung hat eine bessere Leistung in Bezug auf numerische Stabilität und Genauigkeit. Im Vergleich zu früheren Versionen können die Eigenfrequenzsimulationen weniger Eigenfrequenzen liefern. Allerdings sind die Lösungen genauer und es werden viel seltener fehlerhafte Lösungen zurückgegeben.

Diese Formulierung wird für alle Studientypen außer Mode Analysis und Boundary Mode Analysis verwendet und ist in den folgenden Modellen zu sehen:

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Verbesserte Leistung des Adaptive Frequency Sweep

Der Studienschritt Adaptive Frequency Sweep wurde für Analysen optimiert, bei denen die Feldausgabe nur für eine Auswahl gespeichert wird, wie zum Beispiel ein Gebiet oder einen Rand. Dies ist zum Beispiel für Ports in Filteranwendungen nützlich. Die Leistungsverbesserung für einen solchen Sweep beträgt bis zu 25%. Noch größer ist der Leistungszuwachs bei Anwendungen, bei denen sehr hoch aufgelöste Ergebnisse benötigt werden. Die folgenden Modelle veranschaulichen diese neue Verbesserung:

Ein 1D-Plot mit der Frequenz auf der x-Achse und dem S-Parameter auf der y-Achse.
Ein S-Parameter-Vergleich zwischen einem regulären Sweep und der hochauflösenden Ausgabe eines Adaptive Frequency Sweep für das Modell Waveguide Iris Filter, das in der RF Module Application Library verfügbar ist.

Neue Tutorial-Modelle

COMSOL Multiphysics® Version 6.1 enthält mehrere neue Tutorial-Modelle für das RF Module.

Lightning-Induced Voltage of a Wire in an Airplane

Ein Flugzeugmodell mit einem Blitzeinschlag auf einer der Tragflächen.
Der Blitzeinschlag in eine Flugzeugtragfläche wird mit der Funktion Edge Current behandelt, die anpassbare vordefinierte Blitz- und elektrostatische Entladungspulse (ESD) liefert.

Application Library Titel:

lightning_induced_voltage_airplane

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Electrostatic Discharge (ESD) Test of a PCB

Ein Leiterplattenmodell, das den Effekt der transienten elektrostatischen Entladung zeigt.
Der transiente elektrostatische Entladungseffekt auf einer Leiterplatte wird mittels des erweiterten menschlichen Körperpulsmodells in einer Lumped Port Funktion untersucht.

Application Library Titel:

esd_test_pcb

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Lightning-Induced Voltage of an Overhead Line Over Lossy Ground

Ein Freileitungsmodell über einem verlustbehafteten Boden in der Farbtabelle Thermal Wave.
Dieses Beispiel ermöglicht die Untersuchung eines effektiven Drahtmodells und berechnet die blitzinduzierte Spannung einer Freileitung über verlustbehaftetem Boden mit dem Einfluss der Bodenleitfähigkeit.

Application Library Titel:

lightning_induced_voltage_overhead_lines

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Cloaking of a Cylindrical Scatterer with Graphene

Zwei Feldverteilungen; eine ohne und eine mit Graphenhülle.
Vergleich der Feldverteilungen um den zylindrischen Streuer, mit und ohne Graphenhülle. Wenn ein zylindrischer dielektrischer Streuer mit Graphen bedeckt ist, wird der Streuungsquerschnitt bei der gewünschten Frequenz stark reduziert, wodurch er elektromagnetisch unsichtbar wird.

Application Library Titel:

cylinder_graphene_cloak

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Modeling of a Differential Microstrip Line

Ein differentielles Mikrostreifenleitungsmodell, das die elektrische Feldverteilung in der Rainbow Light Farbtabelle zeigt.
Die Verteilung des elektrischen Feldes einer differentiellen Mikrostreifenleitung. Das Modellbeispiel zeigt, wie Sie differentielle und unsymmetrische Mikrostreifenleitungen mit transversalen elektromagnetischen (TEM-) Ports einrichten können.

Application Library Titel:

microstrip_line_tem_differential

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