Aggiornamenti dell'RF Module
Agli utenti dell'RF Module, COMSOL Multiphysics® versione 5.3 offre una Part Library contenente i tipici dispositivi RF, opzioni estese per la condizione al contorno Lumped Element e calcolo dei parametri S per le simulazioni transitorie. Gli aggiornamenti dell'RF Module sono descritti in dettaglio qui di seguito.
Nuova Part Library RF
L'RF Module offre ora una libreria costituita da diverse parti o geometrie standard che facilitano la modellazione di componenti RF da includere in progetti più grandi di dispositivi RF. Ogni parte presenta parametri controllabili dall'utente e selezioni predefinite che possono essere manipolate per modificare le configurazioni geometriche, i progetti dei dispositivi RF, le proprietà di materiale dipendenti dalla geometria e le impostazioni del solutore.
Queste parti RF comprendono:
- 36 guide d'onda rettangolari (costituite da tipi diritti e con curvatura e 90 gradi, nonché tipi con curvatura sul piano H)
- 22 footprint per dispositivi a montaggio superficiale
- 3 connettori SMA (4 fori, 2 fori e montaggio verticale)
Due connettori SMA (4 fori e attacco verticale) collegati tramite una linea a microstriscia a meandro da 50 ohm.
Funzionalità Lumped Element migliorata con ulteriori opzioni
La condizione al contorno Lumped Element è stata migliorata con nuove opzioni nella sezione Lumped element device della finestra impostazioni. Ora è possibile configurare non solo singoli elementi concentrati - induttore (L), condensatore (C), resistore (R) o impedenza complessa (Z) - come condizioni al contorno del dispositivo, ma anche gli elementi compositi contenenti parametri di elementi concentrati come series LC, parallel LC, series RLC o parallel RLC.
Percorso dell'Application Library con un esempio che utilizza le nuove opzioni di elemento concentrato:
RF_Module/Filters/lumped_element_filter
Modellazione avanzata Two-Port Network con l'importazione di un file Touchstone
Un file Touchstone descrive la risposta in frequenza di una rete circuitale a n porte in termini di parametri S. Si può includere in simulazioni COMSOL Multiphysics® un file Touchstone, ottenuto da simulazioni numeriche o da misurazioni dell'analizzatore di rete, utilizzando la condizione al contorno Two-Port Network, senza costruire la forma complessa del circuito. A tale scopo, selezionare Touchstone file come Type of S-parameter definition nella finestra impostazioni Two-Port Network.
Percorso dell'Application Library con un esempio che utilizza la funzione di importazione file Touchstone:
RF_Module/Filters/two_port_network_touchstone
Surface Magnetic Current Density
La nuova condizione al contorno Surface Magnetic Current Density è stata aggiunta all'interfaccia Electromagnetic Wave, Frequency Domain per specificare una densità di corrente magnetica superficiale su contorni esterni e interni. La densità della corrente magnetica è descritta da un vettore 3D. Tuttavia, dal momento che scorre su una superficie, può anche essere rappresentata alternativamente per una modellazione più efficiente. A tale fine, il software COMSOL Multiphysics® proietta questa densità di corrente sulla superficie del contorno e trascura la sua componente normale. La nuova condizione al contorno è utile in situazioni particolari, ad esempio per la modellazione di dipoli elettrici.
Densità di corrente magnetica superficiale (frecce blu) su una bobina cilindrica, con l'uso della condizione al contorno Surface Magnetic Current Density nell'interfaccia Electromagnetic Waves, Frequency Domain. Il modello di campo elettrico (coni) è simile a quello di un dipolo corto.
Calcolo dei parametri S in simulazioni transitorie
I parametri S nel dominio della frequenza di un circuito possono ora essere calcolati in simulazioni tempo-dipendenti mediante un processo di risoluzione in due fasi. Ideali per calcolare le risposte in frequenza a banda larga con una risoluzione fine, i modelli vengono costruiti inizialmente mediante un'interfaccia fisica transitoria. Quindi, i parametri S sono calcolati applicando ai risultati una trasformata di Fourier veloce (FFT) tempo-frequenza.
A tale scopo, si deve includere un passo di studio Time Dependent utilizzando una porta concentrata nell'interfaccia Electromagnetic Waves, Transient e quindi includere un passo di studio Time to Frequency FFT per eseguire la trasformata dei risultati dal primo passo di studio.
Percorso dell'Application Library con un esempio di calcolo dei parametri S da simulazioni transitorie utilizzando una FFT tempo-frequenza:
RF_Module/Filters/coaxial_low_pass_filter_transient
Tutorial aggiornato: A Low-Pass Filter Using Lumped Elements
Si possono progettare dispositivi passivi con le funzionalità elementi concentrati, a patto che la frequenza operativa del dispositivo e la perdita di inserzione degli elementi concentrati siano basse. Questo esempio simula due tipi di filtri con elementi concentrati simili alle porte concentrate, tranne per il fatto che sono strettamente passivi e che ci sono scelte predefinite per induttanza e capacità elettrica.
Innanzitutto, viene costruito un filtro passa-basso massimamente piatto a cinque elementi per calcolare le risposte in frequenza che mostrano il cut-off alla frequenza prevista. La geometria di ciascun elemento (dispositivo a montaggio superficiale, SMD) è semplificata come contorno 2D e i comportamenti elettrici sono modellati con la condizione al contorno Lumped Element nell'interfaccia Electromagnetic Waves, Frequency Domain. Quindi, si simula nello stesso range di frequenza un filtro passa-banda trasformato dal progetto del filtro passa-basso. Entrambi i modelli di filtro presentano i parametri S e la distribuzione del campo elettrico.
Induttori e condensatori per dispositivo a montaggio superficiale 0402 (SMD) sono modellati con le funzionalità di elemento concentrato sui contorni 2D.
Percorso dell'Application Library con il tutorial A Low-Pass Filter Using Lumped Elements:
RF_Module/Filters/lumped_element_filter
Nuovo tutorial: Anechoic Chamber Absorbing Electromagnetic Waves
Una camera anecoica è utilizzata per misurare la caratterizzazione di un'antenna, l'interferenza elettromagnetica (EMI) e la compatibilità elettromagnetica (EMC). All'interno della camera vi sono assorbitori configurati come array di oggetti piramidali che dirigono il campo incidente sugli assorbitori vicini. Assorbendo le onde elettromagnetiche all'interno della camera e bloccando i segnali in entrata dall'esterno, la camera crea uno spazio virtuale infinito pressoché libero da riflessioni interne e non soggetto a disturbi RF esterni indesiderati.
Questo modello simula un'antenna biconica, tipica dei test di EMI ed EMC, posta al centro di una piccola camera anecoica. Il modello di radiazione di campo lontano e il parametro S (S11) calcolati dimostrano che gli assorbitori a microonde riducono sensibilmente le riflessioni dalle pareti senza distorsione apprezzabile nelle prestazioni dell'antenna.
Una camera anecoica all'avanguardia in una piccola stanza (3,9x3,9x3,3 m), costituita da assorbitori a microonde su pareti sottili conduttive. Il diagramma a contorni mostra la distribuzione del campo elettrico sul piano ZX. Si noti il sensibile decadimento della distribuzione nei pressi degli assorbitori.
Link alla Galleria delle applicazioni con il tutorial Anechoic Chamber:
RF_Module/EMI_EMC_Applications/anechoic_chamber
Nuovo tutorial: Double-Ridged Horn Antenna
L'antenna a tromba double-ridged è utilizzata solitamente nelle camere anecoiche per caratterizzare un'antenna sotto test (AUT), dalla banda S alla banda Ku, grazie alle sue prestazioni affidabili in un'ampia banda di frequenza. Questo tutorial modella un'antenna a tromba double-ridged e calcola il rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione, il modello di radiazione di campo lontano e la direttività dell'antenna.
Una porta concentrata viene assegnata al contorno tra la superficie conduttiva interna e quella esterna alla fine del connettore coassiale. Lo strato più esterno del dominio d'aria è configurato come uno strato perfettamente adattato (PML), che simula l'assorbimento di tutte le radiazioni uscenti dall'antenna come avverrebbe in una vera camera anecoica. La mesh è controllata in modo dinamico dall'interfaccia Electromagnetic Waves, Frequency Domain sulla base di ogni frequenza della simulazione.
Antenna a tromba double-ridged eccitata da una porta coassiale. Questa immagine mostra il modello di radiazione 3D nel campo lontano (grafico a colori, termocamera), la direzione del campo elettrico (grafico a frecce) e la sua intensità (grafico arcobaleno) sull'apertura e sui ridge.
Percorso dell'Application Library con il tutorial Double-Ridged Horn Antenna:
RF_Module/Antennas/double_ridged_horn_antenna
Nuovo tutorial: Fast Modeling of a Transmission Line Low-Pass Filter
Un modo per progettare un filtro consiste nell'uso dei valori degli elementi di prototipi di filtro noti, come i filtri passa-basso massimamente piatti con ripple costante. È più facile fabbricare un filtro con elementi distribuiti su un substrato a microonde rispetto a un filtro con elementi concentrati, poiché è difficile trovare condensatori e induttori standard con valori identici a quelli degli elementi del prototipo del filtro, scalati in frequenza.
Questo modello tutorial dimostra le fasi di progettazione di un filtro con elementi distribuiti utilizzando la trasformazione di Richard, le identità di Kuroda e l'interfaccia Transmission Line. Questo approccio è molto veloce rispetto alla soluzione delle equazioni di Maxwell in 3D. Il modello simula un filtro passa-basso con ripple costante da 0,5 dB a tre elementi con una frequenza di cut-off a 4 GHz. Il grafico dei parametri S risultanti mostra una risposta in frequenza passa-basso osservata anche periodicamente a frequenze superiori.
Percorso dell'Application Library con il tutorial Fast Modeling of a Transmission Line Low-Pass Filter:
RF_Module/Filters/transmission_line_lpf
Nuovo tutorial: Fast Modeling of a Transmission Line Wilkinson Power Divider
Alcuni divisori di potenza tradizionali a tre porte sono di tipo resistivo oppure realizzati con una giunzione a T. Questi divisori sono alternativamente ad alta perdita o non adattati all'impedenza di riferimento del sistema su tutte le porte. Non è inoltre garantito l'isolamento tra due porte adattate. Il divisore di potenza di Wilkinson surclassa il divisore con giunzione a T senza perdite e il divisore resistivo e non presenta i problemi appena citati.
Questo modello di esempio simula un divisore di potenza di Wilkinson con l'interfaccia Transmission Line in 2D. Questo approccio è molto veloce rispetto alla soluzione delle equazioni di Maxwell in 3D. I risultati mostrano i parametri S da 1 GHz a 5 GHz e la distribuzione del potenziale elettrico lungo la linea di trasmissione.
La tensione d'ingresso è distribuita (-3 dB) uniformemente tra la porta 2 e la porta 3 quando la porta 1 è eccitata.
Percorso dell'Application Library con il modello tutorial Transmission Line Wilkinson Power Divider:
RF_Module/Couplers_and_Power_Dividers/transmission_line_wpd
Nuovo tutorial: Fast Prototyping of a Butler Matrix Beamforming Network
Una matrice di Butler è una rete di beamforming passiva. È una rete economicamente vantaggiosa per phased array perché il circuito può essere fabbricato come linee a microstriscia ed è una soluzione valida per eseguire la scansione a fascio senza utilizzare costosi dispositivi attivi.
Questo esempio mostra come progettare un circuito di questo tipo utilizzando l'interfaccia Transmission Line. I risultati mostrano la tensione logaritmica sul circuito di beamforming a matrice di Butler a 30 GHz e la progressione di fase aritmetica ad ogni porta di uscita.
| Porta 5 | Porta 6 | Porta 7 | Porta 8 | Progressione di fase | |
|---|---|---|---|---|---|
Porta 1 eccitata |
-90° | -135° | -180° | 135° | -45° |
Porta 2 eccitata |
-180° | -45° | 90° | -135° | +135° |
Porta 2 eccitata |
-135° | 90° | -45° | -180° | -135° |
Porta 4 eccitata |
135° | -180° | -135° | -90° | +45° |
Il modello di radiazione 3D in campo lontano di un array 4x1 di antenne patch a microstriscia collegato a una rete di beamforming a matrice di Butler. Qui le immagini sono ordinate per progressione di fase (da negativo a positivo). Il modello dell'antenna non è incluso in questo esempio.
Percorso dell'Application Library con il tutorial Fast Prototyping of a Butler Matrix Beamforming Network:
RF_Module/Couplers_and_Power_Dividers/transmission_line_butler
Nuovo tutorial: Time-to-Frequency Fast Fourier Transform of a Coaxial Low-Pass Filter
In questo modello, per ottenere una risposta in frequenza passa-basso viene fatto il tuning di un cavo coassiale con dielettrico in aria, tramite cinque anelli (iridi) aggiunti alla parete conduttiva esterna. Viene simulato così un filtro passa-basso coassiale assialsimmetrico 2D, a banda relativamente larga. Per risolvere la risposta in frequenza a banda larga con una risoluzione fine, il modello viene inizialmente creato con un'interfaccia fisica transitoria, quindi i parametri S vengono calcolati utilizzando una FFT tempo-frequenza. I parametri S calcolati mostrano una risposta in frequenza passa-basso con una frequenza di taglio intorno a 24.5 GHz.
Il diagramma a contorni della distribuzione del modulo di campo elettrico e il grafico a frecce del flusso di potenza mediato nel tempo a 10 GHz.
Percorso dell'Application Library con il tutorial FFT of a coaxial low-pass filter:
RF_Module/Filters/coaxial_low_pass_filter_transient
Nuovo tutorial: Filter Characterized by Imported S-Parameters via a Touchstone File
Un file Touchstone descrive la risposta in frequenza di una rete circuitale a n porte in termini di parametri S. Un file di questo tipo può essere utilizzato per semplificare circuiti oltremodo complessi. Il file Touchstone può essere il risultato di simulazioni numeriche o di misure con un analizzatore di rete. Il file ottenuto per una rete a due porte può quindi essere incluso nelle simulazioni senza dover creare la forma complessa del circuito.
In questo esempio, un filtro passa-basso tra due connettori coassiali viene modellato utilizzando la funzionalità Two-Port Network e i parametri S importati tramite un file Touchstone. I risultati includono la distribuzione di campo elettrico all'interno dei connettori coassiali e dei parametri S.
La geometria del circuito all'interno del volume di controllo blu non è inclusa nel modello, ma è caratterizzata da un file Touchstone.
Percorso dell'Application Library con il tutorial Filter Characterized by Imported S-Parameters via a Touchstone File:
RF_Module/Filters/two_port_network_touchstone
Nuovo tutorial: High-Speed Interconnect Tuning by Time-Domain Reflectometry (TDR)
Nelle applicazioni di integrità del segnale (SI), la riflettometria nel dominio del tempo (TDR) è una tecnica utilizzata per analizzare la discontinuità del percorso di un segnale osservando l'intensità del segnale riflesso. Il segnale riflesso a causa del disadattamento d'impedenza distorce maggiormente l'impulso di ingresso se non esiste una sorgente di rumore esterna, crosstalk o un accoppiamento indesiderato.
In questo esempio, si applica una funzione a gradini con un rapido tempo di salita su una linea a microstriscia collegata da strato a strato tramite un foro metallizzato. Sono identificate le discontinuità del percorso del segnale ed è effettuato il tuning del circuito per abbassare la distorsione in base al calcolo dell'impedenza TDR.
Una linea a microstriscia su un circuito stampato multistrato in cui viene utilizzato un substrato a microonde di 20 mil per ogni strato dielettrico. Il piano di massa con pad anti-via è posto tra due strati dielettrici. Le linee a microstriscia superiore e inferiore sono collegate mediante un foro metallizzato. La superficie dielettrica superiore e il piano di massa sono stati nascosti per una migliore visualizzazione.
Percorso dell'Application Library con il tutorial Time-domain reflectometry:
RF_Module/EMI_EMC_Applications/high_speed_interconnect_tdr
Nuove variabili di postprocessing di campo lontano
Sono state aggiunte altre variabili di postprocessing alle interfacce fisiche che calcolano i modelli di radiazione in campo lontano. La variabile di guadagno precedente distingue ora i valori di guadagno e di guadagno realizzato grazie al fattore di disadattamento dell'impedenza di ingresso. Queste variabili possono essere utilizzate nei grafici del campo lontano per visualizzare le caratteristiche di un'antenna.
- EIRP e EIRPdB: potenza efficace isotropa irradiata e relativo valore in dB
- gainEfar e gaindBEfar: guadagno escluso il disadattamento in ingresso e il relativo valore in dB
- rGainEfar e rGaindBEfar: guadagno realizzato, incluso il disadattamento in ingresso e il relativo valore in dB
Percorso dell'Application Library per la nuova variabile di postprocessing di campo lontano:
RF_Module/Antennas/double_ridged_horn_antenna
Nuove impostazioni predefinite per una migliore esperienza d'uso
Molte impostazioni predefinite sono state aggiornate per ridurre il numero di passaggi di modellazione e migliorare l'usabilità:
- Mesh controllata dalla fisica abilitata per l'interfaccia Electromagnetic Waves, Frequency Domain
- La mesh legge automaticamente la frequenza o la lunghezza d'onda dai passi di studio per l'interfaccia Electromagnetic Waves, Frequency Domain
- Le impostazioni del solutore sono passate da Robust a Fast per l'interfaccia Electromagnetic Waves, Frequency Domain
- Risoluzione angolare più fine (theta 45, phi 45) per il grafico 3D di campo lontano
- L'eccitazione automatica è ora attiva per la prima porta
- GHz è ora la nuova unità di frequenza predefinita per i passi di studio di Frequency Domain, Frequency-Domain Modal e Eigenfrequency
- Il metodo di ricerca delle frequenze proprie attorno allo spostamento è ora impostato su Larger real part per le analisi Frequency-Domain Modal
- L'operatore Linper viene applicato internamente per le porte concentrate eccitate e non deve più essere specificato dall'utente per le analisi Frequency-Domain Modal
- GHz è ora l'unità predefinita per i grafici dei parametri S, le cui descrizioni sono ora più semplici
Tutorial aggiornati per l'uso di tecniche di modellazione a ordine ridotto
L'utilizzo del passo di studio Frequency-Domain Modal è stato esteso alle porte concentrate e alle porte che non richiedono l'immissione manuale dell'operatore linper per la tensione della porta di eccitazione. Due potenti metodi di simulazione - valutazione asintotica delle forme d'onda e metodo modale nel dominio della frequenza - sono stati implementati negli esempi esistenti dell'Application Library e destinati alla progettazione di filtri passa-banda ad alto Q . Questi metodi eseguono le simulazioni a velocità molto superiori - e con una risoluzione di frequenza molto più fine - rispetto agli sweep di frequenza tradizionali per questi dispositivi.
Mentre la risoluzione di frequenza Frequency-Domain Modal è cinque volte più fine di quella dello sweep di frequenza discreto, il tempo di simulazione è quattro volte più veloce nell'analisi dello stesso filtro. Questa immagine è tratta dal tutorial Waveguide Iris Bandpass Filter.
Percorsi dell'Application Library con esempi che utilizzano il metodo Asymptotic Waveform Evaluation:
RF_Module/Filters/cylindrical_cavity_filter_evanescent
RF_Module/Passive_devices/rf_coil
Percorsi dell'Application Library con esempi che utilizzano il metodo Frequency-Domain Modal:
RF_Module/Filters/cascaded_cavity_filter
RF_Module/Filters/coupled_line_filter
RF_Module/Filters/cpw_bandpass_filter
RF_Module/Filters/waveguide_iris_filter