RF Module

Per la progettazione di dispositivi RF e a microonde

RF Module

Filtro a modi evanescenti realizzato aggiungendo all'interno della cavità una struttura che modifica la frequenza di risonanza a un valore inferiore a quello del modo dominante per la cavità vuota. Un attuatore piezoelettrico è utilizzato per controllare la dimensione di un piccolo traferro che fornisce l'accordabilità della frequenza di risonanza.

Predizione virtuale di progetti RF e microonde

L'RF Module è utilizzato dai progettisti di dispositivi RF e a microonde per progettare antenne, guide d'onda, filtri, circuiti, cavità e metamateriali. Dalla simulazione rapida e precisa della propagazione delle onde elettromagnetiche e del comportamento di risonanza, gli ingegneri sono in grado di calcolare le distribuzioni del campo elettromagnetico, trasmissione, riflessione, impedenza, fattori Q, parametri S e potenza dissipata. La simulazione ha il vantaggio di ridurre i costi, insieme alla capacità di valutare e prevedere gli effetti fisici che non sono direttamente misurabili negli esperimenti.

Rispetto alla tradizionale modellazione elettromagnetica, è anche possibile includere nel modello effetti come l'aumento della temperatura, le deformazioni strutturali e il flusso di un fluido. Nelle analisi si possono considerare più fisiche e, di conseguenza, studiare tutti i fenomeni coinvolti nella simulazione di un dispositivo elettromagnetico.

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Tecnologia del solutore

L'RF Module si basa sul metodo degli elementi finiti. Le equazioni di Maxwell sono risolte utilizzando il FEM con elementi vettoriali (edge elements) numericamente stabili, in combinazione con algoritmi all'avanguardia per precondizionamento e soluzione iterativa delle matrici sparse risultanti dai sistemi di equazioni originari. I solutori iterativi e diretti si eseguono in parallelo su computer multicore. È possibile ricorrere al cluster computing per eseguire uno sweep sulla frequenza. I calcoli vengono così distribuiti per frequenza su più computer all'interno del cluster, in modo da velocizzare il calcolo o risolvere modelli di grandi dimensioni con un solutore diretto utilizzando la memoria distribuita (MPI).

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Altre immagini:

  • MODELLAZIONE DI UN'ANTENNA: tutorial di un'antenna elicoidale a due bracci tratta dalla Model Library dell'RF Module MODELLAZIONE DI UN'ANTENNA: tutorial di un'antenna elicoidale a due bracci tratta dalla Model Library dell'RF Module
  • SIMULAZIONE DI CAMPO ELETTROMAGNETICO: la sorgente di calore distribuito è calcolata in un'analisi elettromagnetica stazionaria nel dominio della frequenza. A questa fa seguito una simulazione del trasferimento di calore transitorio che illustra come il calore si ridistribuisce all'interno del prodotto alimentare nel forno a microonde. SIMULAZIONE DI CAMPO ELETTROMAGNETICO: la sorgente di calore distribuito è calcolata in un'analisi elettromagnetica stazionaria nel dominio della frequenza. A questa fa seguito una simulazione del trasferimento di calore transitorio che illustra come il calore si ridistribuisce all'interno del prodotto alimentare nel forno a microonde.
  • ONDE ELETTROMAGNETICHE: onda TM obliqua incidente su un reticolo di fili d'oro. Le celle fondamentali della struttura periodica sono mostrate come linee. ONDE ELETTROMAGNETICHE: onda TM obliqua incidente su un reticolo di fili d'oro. Le celle fondamentali della struttura periodica sono mostrate come linee.
  • PROGETTO DI UN'ANTENNA A MICROSTRISCIA: la distribuzione della radiazione da un'antenna patch a microstriscia è visualizzata nei grafici di far-field rapidi 3D, 2D e dei piani di taglio 3D. PROGETTO DI UN'ANTENNA A MICROSTRISCIA: la distribuzione della radiazione da un'antenna patch a microstriscia è visualizzata nei grafici di far-field rapidi 3D, 2D e dei piani di taglio 3D.

Possibili analisi per la simulazione elettromagnetica

EQUAZIONI DI SISTEMA

L'RF Module simula la propagazione di campi elettromagnetici in 3D, 2D e 2D assialsimmetrico, delle equazioni della linea di trasmissione in 1D e dei circuiti (adimensionali) con le netlist SPICE. La formulazione 3D si basa sulla soluzione completa delle equazioni di Maxwell utilizzando elementi vettoriali (edge elements) e comprende le relazioni delle proprietà materiali per modellare mezzi dielettrici, metallici, dispersivi, ad alta perdita, anisotropi, girotropi e misti. Le formulazioni 2D possono risolvere le polarizzazioni sia nel piano sia fuori dal piano, simultaneamente o separatamente, così come la propagazione fuori dal piano. Le formulazioni 2D assialsimmetriche possono risolvere i campi piano azimutali e nel piano, simultaneamente o separatamente, anche caratterizzati da un numero azimutale noto.

FORMULAZIONI DI CAMPO

Sono disponibili entrambe le formulazioni di propagazione e di scattering. La formulazione di propagazione risolve i campi totali in virtù del fatto che tutte le sorgenti sono incluse nel modello, mentre la formulazione di scattering assume un campo di fondo noto da una sorgente esterna – un approccio tipico per i modelli di scattering elettromagnetico e per il calcolo della radar cross-section (RCS).

CONDIZIONI AL CONTORNO

Condizioni al contorno sono disponibili per modellare superfici di conduttore elettrico perfetto, superfici a conducibilità finita e facce che rappresentano strati sottili con perdite. Condizioni di simmetria e di periodicità al contorno consentono di modellare con precisione una sezione limitata di uno spazio in realtà più esteso, talvolta infinito; per modellare lo spazio libero sono utilizzate condizioni al contorno di scattering e le Perfectly Matched Layer (PML). Esistono varie condizioni per modellare eccitazioni: porta rettangolare, circolare, periodica, coassiale, lumped, ma anche condizioni definite dall'utente e numeriche. Si possono includere condizioni al contorno che rappresentano le terminazioni di cavo, così come elementi resistivi, induttivi e capacitivi a parametri concentrati. Correnti di linea e dipoli puntiformi sono disponibili per la prototipazione rapida.

TIPI DI SOLUZIONE

Le simulazioni possono essere impostate come problemi agli autovalori, problemi nel dominio della frequenza o soluzioni completamente transitorie. I problemi agli autovalori possono trovare le risonanze e i fattori di qualità (Q-factors) di una struttura, così come le costanti di propagazione e le perdite nelle guide d'onda. I problemi nel dominio della frequenza possono calcolare i campi elettromagnetici a frequenza singola o in un intervallo di frequenze. Scansioni di frequenza rapide basate sul metodo degli approssimanti di Padé possono ridurre notevolmente i tempi della soluzione quando si calcola il comportamento in un intervallo di frequenze. Le simulazioni transitorie sono disponibili per entrambe le formulazioni vettoriali di propagazione a partire dalle equazioni di Maxwell formulate come PDE al second'ordine e anche per la formulazione in termini delle medesime equazioni al primo ordine tramite il metodo degli elementi di Galerkin discontinui, che permette di risparmiare memoria. Queste simulazioni sono utilizzate per la modellazione di materiali non lineari, la propagazione del segnale e il tempo di ritorno, così come di comportamenti in banda molto larga.

ACCOPPIAMENTI MULTIFISICI

Le equazioni in tutti i modelli sviluppati in COMSOL Multiphysics possono essere accoppiate completamente in modo che i campi elettromagnetici possano al contempo influenzare e subire altri fenomeni fisici. In particolare, l'interfaccia dedicata per il riscaldamento a microonde amplia le funzionalità di simulazione oltre la tradizionale analisi della deposizione della potenza, con funzionalità come i calcoli SAR e precise previsioni di aumento della temperatura. Risolvendo le equazioni di Maxwell nel dominio della frequenza e l'equazione di trasferimento di calore nel dominio stazionario o del tempo, è possibile calcolare l'aumento della temperatura nel tempo e gli effetti della temperatura sulle proprietà del materiale.

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Gestire i risultati delle simulazioni di dispositivi RF e a microonde

I risultati dei calcoli sono presentati attraverso grafici predefiniti di campi elettrici e magnetici, parametri S, flusso di potenza e perdite. Un veloce strumento di post-processing consente di generare rapidamente la distribuzione della radiazione nel campo lontano. È inoltre possibile visualizzare i risultati sotto forma di grafici delle espressioni che rappresentano grandezze fisiche definite liberamente o come valori tabulari ottenuti dalla simulazione. Le matrici dei parametri S possono essere esportate nel formato Touchstone; tutti i dati possono essere inoltre esportati come file di testo, row data e immagini.

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Il flusso di lavoro è semplice e si articola nelle seguenti fasi: definire la geometria utilizzando gli strumenti di modellazione già inclusi in COMSOL o importando un modello CAD, selezionare i materiali, selezionare l'interfaccia e il tipo di analisi adeguati, definire porte e condizioni al contorno, creare automaticamente la mesh agli elementi finiti, risolvere considerando opzionalmente una mesh adattativa e post-processare i risultati. Tutti questi passaggi sono eseguibili da COMSOL Desktop®. La selezione del solutore utilizza automaticamente le impostazioni predefinite adatte a ogni interfaccia RF specifica, che tuttavia possono anche essere modificate dall'utente.

Modelli ed esempi documentati per la progettazione RF e microonde

La Model Library dell'RF Module descrive le interfacce e le loro diverse funzionalità attraverso tutorial ed esempi di riferimento. La libreria comprende modelli di antenne, dispositivi a ferrite, dispositivi che subiscono riscaldamento a microonde, dispositivi passivi, analisi di scattering e della radar cross-section (RCS), linee di trasmissione e guide d'onda per dispositivi RF e a microonde, modelli tutorial per imparare a modellare e modelli di riferimento per la verifica e la validazione delle interfacce RF.

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