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RF Module

Ottimizzare i dispositivi a microonde e a onde millimetriche

L'RF Module aiuta a ottimizzare i progetti studiando effetti come la propagazione delle onde elettromagnetiche e gli effetti di risonanza nelle applicazioni ad alta frequenza. È possibile utilizzare l'RF Module per comprendere e prevedere le prestazioni dei dispositivi utilizzati nei settori RF, microonde e onde millimetriche.

I progettisti di dispositivi RF e a microonde devono garantire che i prodotti basati sull'elettromagnetismo siano affidabili e robusti. La modellazione elettromagnetica tradizionale permette di esaminare solo gli effetti delle onde elettromagnetiche, ma nessun dispositivo del mondo reale agisce in condizioni operative ideali. Per vedere come altri fenomeni fisici influenzino il progetto, è necessaria la modellazione multifisica, che permette di estendere l'analisi per includere effetti come l'aumento della temperatura e le deformazioni strutturali.

Con l'RF Module, prodotto aggiuntivo della piattaforma di simulazione COMSOL Multiphysics®, è possibile analizzare i progetti RF in scenari ideali o multifisici, compreso il riscaldamento a microonde e RF, in un unico ambiente software.

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Modello di auto nella tavola di colore Thermal Wave racchiusa in una camera anecoica a forma di cupola.
Visualizzazione in primo piano di un modello di camera anecoica che mostra la distribuzione del campo elettrico.
Visualizzazione in primo piano di un modello di dispositivo mobile che mostra il campo elettrico.

Progettazione per il presente e il futuro con l'RF Module

Nel settore in rapida evoluzione dei dispositivi wireless, l'analisi delle onde elettromagnetiche viene utilizzata nello sviluppo dei prodotti per tenere il passo con i progressi della tecnologia. Per esempio, le antenne e i front-end RF, tra cui filtri, accoppiatori, divisori di potenza e circuiti di adattamento di impedenza, devono essere compatibili con gli sviluppi futuri, come la rete 5G MIMO, Internet-of-Things (IoT) e SatCom.

Utilizzare un software di analisi è importante anche per valutare le interferenze RF e la compatibilità nelle piattaforme di comunicazione wireless: si può così assicurare un funzionamento ottimale dei prodotti per le applicazioni in via di sviluppo, come dispositivi wearable, veicoli autonomi e prodotti a microonde e RF all'avanguardia.

Analisi e solutori per l'elettromagnetismo ad alta frequenza

L'RF Module si basa sul collaudato metodo degli elementi finiti (FEM) per le analisi elettromagnetiche standard ad alta frequenza, e include anche metodi alternativi e solutori per specifici tipi di analisi. I solutori predefiniti incorporati nell'RF Module danno la sicurezza che l'analisi sia corretta e che il progetto sia supportato da solide soluzioni numeriche. Il FEM è usato per il dominio della frequenza e per l'analisi transitoria, con elementi vettoriali/bordo di ordine 1, 2 o 3 che si adattano alla curvatura delle superfici CAD. Sono disponibili elementi di mesh tetraedrici, esaedrici, prismatici e piramidali, così come il meshing automatico e adattivo.

Per l'analisi nel dominio della frequenza, è possibile calcolare frequenze di risonanza, parametri S, campi vicini e lontani, fattori Q, costanti di propagazione e caratterizzazione dell'antenna attraverso sweep di frequenza. L'efficienza di calcolo può essere aumentata usando tecniche di riduzione dell'ordine del modello (MOR) come il metodo modale e gli sweep di frequenza adattivi basati sul metodo di valutazione asintotica della forma d'onda (AWE). Per l'analisi transitoria, è possibile modellare materiali non lineari, propagazione del segnale e tempo di ritorno, comportamento a banda molto larga e riflettometria nel dominio del tempo (TDR).

Ulteriori metodi e analisi sono disponibili per le equazioni delle linee di trasmissione, il dominio del tempo esplicito, la modellazione dei circuiti elettrici usando la netlist, lo scattering asintotico e il metodo degli elementi al contorno (BEM).

A microstrip patch model showing the far-field radiation pattern in the Rainbow Light color table.

Cosa puoi modellare con l'RF Module

Esegui varie analisi di radiofrequenza con il software COMSOL®.

A close-up view of a microstrip patch antenna model showing the far-field radiation pattern.

Antenne e array di antenne

Calcolare la potenza riflessa e i modelli di radiazione e di guadagno in campo lontano per gli array di antenne.

A close-up view of a waveguide diplexer model showing the electric field and power flow.

Linee di trasmissione e guide d'onda

Analizzare le linee microstrip, le guide d'onda coplanari (CPW) e le guide d'onda integrate nel substrato (SIW).

Visualizzazione in primo piano di un modello di divisore di potenza Wilkinson che mostra il campo elettrico.

Accoppiatori e divisori di potenza

Calcolare i parametri S per analizzare le prestazioni di corrispondenza, isolamento e accoppiamento per accoppiatori e divisori di potenza.

Visualizzazione in primo piano di un modello di circuito stampato che mostra il campo elettrico.

Applicazioni EMI/EMC

Analizzare le interferenze elettromagnetiche (EMI) e la compatibilità elettromagnetica (EMC), compresi la diafonia e l'isolamento.

Visualizzazione in primo piano di un modello di circolatore in linea a microstriscia.

Dispositivi ferromagnetici

Includere materiali magnetici in componenti a microonde come risonatori e circolatori in ferrite.

A close-up view of an RFIC low-pass filter model with a coplanar waveguide.

Filtri

Analizzare le prestazioni di filtri a microstriscia, CPW e a cavità, includendo fenomeni termici, strutturali e altri fenomeni fisici.

Visualizzazione in primo piano di un modello di forno a microonde che mostra la distribuzione del calore all'interno.

Forni a microonde

Combinare l'analisi elettromagnetica a onda completa con simulazioni di trasferimento di calore in funzione del tempo.

Visualizzazione in primo piano di un modello modello di gabbia per risonanza magnetica che mostra il campo elettrico.

Biomedico e MRI

Simulare il trattamento a microonde e l'interazione della risonanza magnetica con i dispositivi impiantati.

Visualizzazione in primo piano di un modello di sfera PEC che mostra l'RCS e il campo di fondo.

Scattering e RCS

Calcolare la sezione trasversale radar (RCS) e i campi di dispersione generale utilizzando metodi a onda intera e asintotici.

Visualizzazione in primo piano di un modello di risonatore ad anello diviso che mostra il campo elettrico su un anello.

Superfici selettive in frequenza

Modellazione della trasmissione, della riflettanza e della diffrazione di superfici selettive di frequenza e di strutture periodiche generali.

Vista ravvicinata di un modello di aereo che mostra il campo elettrico.

ESD e fulmini

Analizzare le sorgenti di alta tensione variabili nel tempo e il loro impatto sui circuiti e sugli aeroplani.

RF e riscaldamento a microonde

Il riscaldamento a microonde è importante nella lavorazione degli alimenti, nella tecnologia medica e, naturalmente, nei dispositivi mobili. Gli ultimi componenti 5G producono più calore rispetto alle precedenti generazioni di dispositivi, rendendo la gestione termica più importante che mai. L'RF Module ha riscaldamento elettromagnetico e funzionalità di trasferimento di calore completamente integrati, con la possibilità di gestire conduzione, convezione e i dati dei materiali dipendenti dalla temperatura. In combinazione con lo Structural Mechanics Module o al MEMS Module, si può tenere conto della deformazione termica e delle sollecitazioni. Aggiungendo l'Heat Transfer Module, è possibile includere ulteriormente gli effetti della radiazione termica nei propri modelli.

Visualizzazione in primo piano di un modello di filtro a cavità che mostra la temperatura e le sollecitazioni termiche.
Visualizzazione in primo piano di un'onda che viaggia attraverso una curva di guida d'onda e un blocco dielettrico in fase di riscaldamento.
Visualizzazione in primo piano di un modello di antenna a tromba a griglia doppia che mostra il diagramma di radiazione e il campo elettrico.
Visualizzazione in primo piano del diagramma di radiazione di un modello di radar automobilistico.
Visualizzazione in primo piano di un modello di antenna unipolare frattale di Sierpinski che mostra il campo elettrico e il diagramma di radiazione.
Visualizzazione in primo piano di un modello di antenna a striscia a doppia banda che mostra il campo elettrico e il diagramma di radiazione.

Antenne e radiazione

Si può facilmente caratterizzare la prestazione di elementi radianti, come antenne o array di antenne, in termini di direttività e guadagno dal suo diagramma di radiazione, che è calcolato a partire dalla soluzione del campo vicino usando un'analisi specifica di campo lontano. Le proprietà di accoppiamento in ingresso dell'antenna sono facilmente disponibili attraverso l'uso delle condizioni di porta sull'alimentazione dell'antenna, che viene utilizzata per calcolare i parametri S.

Nel caso in cui un dispositivo radiante abbia una simmetria cilindrica, un'opzione di analisi assialsimmetrica 2D permette ordini di grandezza più veloci nei calcoli.

L'analisi dell'array di antenne richiede un elevato impegno computazionale se modellata esplicitamente. Per un rapido studio di fattibilità delle prestazioni di un array di antenne, è possibile semplificare la simulazione utilizzando la funzionalità per i fattori di array di antenne, risparmiando così prezioso tempo di calcolo.

Per le simulazioni di scattering, una formulazione dedicata al campo diffuso permette di specificare un'onda incidente come campo di fondo, incluso un fascio gaussiano, un'onda piana polarizzata linearmente e campi definiti dall'utente.

L'inclusione di strati perfettamente accoppiati (PML) permette l'assorbimento della radiazione in uscita per una vasta gamma di frequenze e angoli di incidenza.

Caratteristiche e funzionalità dell'RF Module

Esplora le caratteristiche e le funzionalità dell'RF Module in dettaglio nelle sezioni seguenti.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Electromagnetic Waves, Frequency Domain evidenziato e un modello di antenna a dipolo nella finestra Graphics.

Interfacce utente integrate

L'RF Module fornisce interfacce utente predefinite per tutti i tipi di analisi elencati sopra. Queste interfacce definiscono set di equazioni di dominio, condizioni al contorno, condizioni iniziali, mesh predefinite, studi predefiniti con impostazioni del solutore, così come grafici predefiniti e valori derivati. Tutti questi passaggi sono accessibili all'interno dell'ambiente COMSOL Multiphysics®.

Le condizioni al contorno disponibili corrispondono tutte ai componenti a microonde che vengono modellati. Le Part library aiutano a costruire la geometria del componente. Le impostazioni della mesh e del solutore sono gestite automaticamente dal software, con opzioni per la modifica manuale.

Visualizzazione in primo piano delle impostazioni Loaded Part e un modello di divisore di potenza Wilkinson nella finestra Graphics.

Importazione CAD e Part Library

Con l'aggiunta del CAD Import Module, è possibile importare una varietà di formati CAD standard del settore per la propria analisi RF. Le opzioni di importazione includono la riparazione ed è possibile semplificare la geometria per prepararla alla mesh e all'analisi. Il Design Module include queste caratteristiche, più le seguenti operazioni CAD 3D: loft, raggi di raccordo, smussi, midsurface e thicken.

Quando si costruiscono le geometrie direttamente in COMSOL Multiphysics®, l'RF Module include una Part Library che contiene forme complesse spesso richieste per le simulazioni RF: connettori, dispositivi a montaggio superficiale e guide d'onda. Le parti sono disponibili come modelli geometrici parametrici e molte delle parti RF includono selezioni per il contorno conduttivo per applicare le condizioni al contorno PEC mentre si imposta l'analisi.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder e un grafico 1D nella finestra Graphics.

Trasformazioni nel dominio della frequenza e del tempo

Mentre le analisi transitorie sono utili per la TDR per gestire i problemi di integrità del segnale (SI), molti esempi di RF e microonde vengono affrontati utilizzando simulazioni nel dominio della frequenza che generano parametri S. Eseguendo la trasformata veloce di Fourier (FFT) da frequenza a tempo dopo lo studio convenzionale del dominio della frequenza, l'analisi TDR è fattibile. Questo tipo di analisi aiuta a identificare discontinuità fisiche e disallineamenti di impedenza su una linea di trasmissione studiando la fluttuazione del segnale nel dominio del tempo.

L'esecuzione di uno sweep in frequenza a banda larga con un piccolo passo di frequenza potrebbe rivelarsi un compito lungo e difficile. Uno studio di un'antenna a banda larga, come un parametro S e/o un'analisi del modello di radiazione in campo lontano, può essere ottenuto eseguendo una simulazione transitoria e una FFT tempo-frequenza.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Thermal Expansion evidenziato e un modello di filtro a cavità nella finestra Graphics.

Analisi multifisica

Per la modellazione dei fenomeni del mondo reale, COMSOL Multiphysics®, l'RF Module e altri prodotti aggiuntivi permettono una varietà di analisi multifisiche. L'analisi termica e la deformazione da stress sono aspetti importanti per la progettazione dei filtri. Per esempio, i filtri a cavità sono tipicamente fatti di materiali sia dielettrici che metallici. La conducibilità dei metalli varia con la temperatura, il che influenza le perdite nel dispositivo e dissipa calore. La dissipazione del calore porta a un aumento della temperatura e una variazione di temperatura causerà l'espansione o la contrazione dei materiali. Così, quando un filtro a cavità è sottoposto a un carico di potenza elevato o a un ambiente termico estremo, può verificarsi una variazione. L'analisi multifisica consente di considerare tali effetti nell'ottimizzazione del dispositivo.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Perfectly Matched Layer evidenziato e una geometria di una testa umana accanto a un'antenna nella finestra Graphics.

Condizioni al contorno

Per un'accurata modellazione elettromagnetica ad alta frequenza, è necessario avere accesso ad ampie opzioni per le condizioni al contorno, ad esempio per descrivere i confini metallici.

Principali condizioni al contorno nell'RF Module:

  • Conduttore elettrico e magnetico perfetto (PEC e PMC)
  • Impedenza (conduttività finita)
  • Transizione (foglio metallico sottile con perdite e strati multipli)
  • Periodicità (Floquet)
  • Condizioni assorbenti
  • Elementi a parametri concentrati capacitivi, induttivi e resistivi
  • Porte
    • Guida d'onda rettangolare e circolare
    • Cavo coassiale
    • Numerico (modo abbinato su una forma arbitraria)
    • Elettromagnetico trasversale (TEM)
    • A parametro concentrato
    • Sistemi di rete a due e tre porte con file Touchstone
Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Materials evidenziato e la finestra Add Material che mostra le opzioni RF.

Proprietà dei materiali

L'RF Module include una libreria con le proprietà dei materiali del substrato per aiutare nella modellazione di schede di circuiti RF, a microonde e a onde millimetriche, nonché per la modellazione magnetica non lineare. La libreria dei materiali RF contiene i dati delle proprietà dei materiali dei prodotti delle seguenti aziende:

  • Rogers Corporation
  • Isola Group
  • Avient Corporation

Per la modellazione avanzata, è possibile personalizzare il materiale specificando le proprietà per materiali disomogenei, anisotropi, non lineari e dispersivi. Tutte le proprietà possono essere spazialmente variabili e discontinue. Inoltre, si possono definire la permittività e la permeabilità relative. Per i materiali dispersivi, è possibile utilizzare proprietà a valore complesso, conduttività o tangenti di perdita. Per i materiali dispersivi, vengono forniti due modelli: Drude–Lorentz e Debye. Per analisi più avanzate che coinvolgono materiali magnetici, si può specificarea un comportamento magnetico non lineare.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Smith Plot evidenziato e i risultati corrispondenti nella finestra Graphics.

Visualizzazione ed estrazione di dati

È possibile presentare i risultati della simulazione utilizzando grafici predefiniti di campi elettrici e magnetici, parametri S, flusso di potenza, dissipazione, modelli di radiazione in campo lontano e grafici di Smith. I parametri S possono essere esportati nel formato file Touchstone. È anche possibile visualizzare i risultati come grafici di espressioni delle quantità fisiche che si definiscono liberamente o come valori derivati tabulati ottenuti dalla simulazione.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Diffraction Order evidenziato e un modello di reticolo esagonale nella finestra Graphics.

Strutture periodiche

Le strutture periodiche sono fondamentali per molte strutture elettromagnetiche ingegnerizzate che vengono sviluppate per applicazioni come il nuovo hardware 5G, l'imaging a lunghezza d'onda inferiore e le tecnologie radar avanzate. Nell'RF Module è possibile modellare queste strutture, compresi i loro modi di diffrazione di alto ordine, con condizioni periodiche di Floquet e variando gli ordini di diffrazione. Utilizzando queste funzionalità, si possono progettare elementi per reflect- e transmitarrays e superfici olografiche in modo accurato.

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