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RF Module

Optimieren Sie Mikrowellen- und Millimeterwellen-Designs

Das RF Module unterstützt Sie bei der Optimierung von Designs, indem es Effekte wie die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen und Resonanzeffekte in Hochfrequenzanwendungen untersucht. Verwenden Sie das RF Module, um das Verhalten von Bauteilen zu verstehen und vorherzusagen, die in der Hochfrequenz-, Mikrowellen- und Millimeterwellenindustrie verwendet werden.

Entwickler von Hochfrequenz- und Mikrowellenbauteilen müssen sicherstellen, dass die elektromagnetischen Produkte zuverlässig und robust sind. Bei der herkömmlicher elektromagnetischer Modellierung können nur die Auswirkungen elektromagnetischer Wellen untersucht werden, aber kein reales Produkt arbeitet unter idealen Bedingungen. Um zu sehen, wie sich andere physikalische Effekte auf das Design auswirken, benötigen Sie Multiphysik-Modellierung. Diese ermöglicht es, Ihre Analyse um Effekte wie Temperaturanstieg und strukturelle Verformungen zu erweitern.

Mit dem RF Module Add-On zur COMSOL Multiphysics® Simulationsplattform können Sie Hochfrequenz-Designs in idealen oder multiphysikalischen Bedingungen analysieren, einschließlich Mikrowellen- und HF-Erwärmung, und das alles in der selben Softwareumgebung.

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Ein Modell eines Autos im Thermal Wave-Farbschema in einer Absorberkuppel.
Nahaufnahme einer elektrischen Feldverteilung in einer Absorberkammer.
Nahaufnahme des elektrischen Feldes von einem Modell eines Mobiltelefons.

Design für Gegenwart und Zukunft mit dem RF Module

In der schnelllebigen Branche der drahtlosen Geräte wird die Analyse elektromagnetischer Wellen bei der Produktentwicklung eingesetzt, um mit den technologischen Neuerungen Schritt zu halten. Beispielsweise sollten Antennen und Hochfrequenz-Frontends, einschließlich Filter, Koppler, Leistungsteiler und Impedanzanpassungsschaltungen, mit zukünftigen Entwicklungen wie dem 5G-MIMO-Netzwerk, dem Internet of Things (IoT) und SatCom kompatibel sein.

Wichtig ist daher der Einsatz von Simulationssoftware zur Bewertung von HF-Interferenzen und Kompatibilität in drahtlosen Kommunikationsplattformen für den nahtlosen Betrieb Ihrer Produkte, seien es tragbarere Geräte, autonome Fahrzeuge oder moderne Mikrowellen- und HF-Designs.

Hochfrequenz-Elektromagnetik-Analysen und Löser

Das RF Module stützt sich in hohem Maße auf die bewährte Finite-Elemente-Methode (FEM) für standard Hochfrequenz-Elektromagnetismus-Analysen und enthält zudem alternative Methoden und Löser für spezifische Problemstellungen. Die in das RF Module integrierten Standard-Löser geben Ihnen die Gewissheit, dass Ihre Analyse korrekt ist und das Design durch solide numerische Lösungen gestützt wird. Die FEM wird für Analysen im Frequenzbereich und für zeitabhängige Simulationen verwendet. Hierbei werden Vektor-/Kantenelementen erster, zweiter, oder dritter Ordnung verwendet, die sich an die Krümmung der CAD-Oberflächen anpassen. Es gibt tetraedrische, hexaedrische, prismatische und pyramidale Netzelemente sowie eine automatische und adaptive Vernetzung.

Für die Analyse im Frequenzbereich können Sie Resonanzfrequenzen, S-Parameter, Nah-/Fernfelder, Q Faktoren, Ausbreitungskonstanten und die Charakterisierung von Antennen durch Frequenzsweeps berechnen. Die Berechnungseffizienz kann durch den Einsatz von MOR-Techniken (Model Order Reduction) wie der Modalmethode und adaptiven Frequenzsweeps auf der Grundlage der AWE-Methode (Asymptotic Waveform Evaluation) gesteigert werden. Für transiente Analysen können Sie nichtlineare Materialien, Signalausbreitung und Rücklaufzeit, sehr breitbandiges Verhalten und Zeitbereichsreflektometrie (time-domain reflectometry, TDR) modellieren.

Weitere Methoden und Analysen sind für Übertragungsleitungsgleichungen, expliziten Zeitbereich, Modellierung elektrischer Schaltungen mit Netzliste, asymptotische Streuung und die Randelementmethode (BEM) verfügbar.

Ein Microstrip-Patch-Modell, das das Fernfeld-Strahlungsmuster in der Rainbow Light Farbtabelle zeigt.

Was Sie mit dem RF Module modellieren können

Führen Sie verschiedene Hochfrequenzanalysen mit der COMSOL® Software durch.

Eine Nahansicht des Modells einer Microstrip-Patch-Antenne, das das Fernfeld-Strahlungsdiagramm zeigt.

Antennen und Gruppenantennen

Berechnen Sie die reflektierte Leistung, die Strahlungscharakteristik sowie die Verstärkung (power gain) für Gruppenantennen (Antennen Arrays).

Eine Nahansicht eines Wellenleiter-Diplexer-Modells, das das elektrische Feld und den Stromfluss zeigt.

Übertragungsleitungen und Wellenleiter

Analyse von Mikrostreifenleitungen, koplanaren Wellenleitern (coplanar waveguides, CPW) und substratintegrierten Wellenleitern (substrate integrated waveguides, SIW).

Nahaufnahme eines Modells eines Wilkinson-Leistungsteilers mit Darstellung des elektrischen Feldes.

Koppler und Leistungsteiler

Berechnen Sie S-Parameter für die Analyse des Anpassungs-, Isolations- und Kopplungsverhaltens von Kopplern und Leistungsteilern.

Nahaufnahme eines Leiterplattenmodells, welches das elektrische Feld zeigt.

EMI/EMC-Anwendungen

Analysieren Sie elektromagnetische Interferenz (electromagnetic interference, EMI) und elektromagnetische Verträglichkeit (electromagnetic compatibility, EMC), einschließlich Übersprechen und Isolierung.

Nahaufnahme eines Mikrostreifen-Zirkulatormodells.

Ferrimagnetische Anwendungen

Verwenden Sie magnetische Materialien in Mikrowellenkomponenten wie Ferritresonatoren und Zirkulatoren.

Nahansicht eines RFIC-Tiefpassfiltermodells mit einem koplanaren Wellenleiter.

Filter

Analysieren Sie das Verhalten von Mikrostreifen-, CPW- und Cavity-Filtern, einschließlich thermischer, struktureller und anderer physikalischer Phänomene.

Nahaufnahme eines Mikrowellenofen-Modells, das die Wärmeverteilung im Inneren zeigt.

Mikrowellenöfen

Kombinieren Sie elektromagnetische Vollwellenanalysen (full-wave analysis) mit zeitabhängigen Wärmetransportsimulationen.

Nahaufnahme eines MRT-Birdcage-Modells, die das elektrische Feld zeigt.

Biomedizin und MRI

Simulieren Sie Mikrowellenbehandlung und MRI-Interaktion mit implantierten Elementen.

Nahaufnahme eines PEC-Kugelmodells mit Darstellung der RCS und des Hintergrundfeldes.

Streuung und RCS

Berechnen Sie Radarquerschnitte (radar cross section, RCS) und Streufelder mit Vollwellen- und asymptotischen Methoden.

Nahaufnahme des Modells eines geteilten Ringresonators (split ring resonator), das das elektrische Feld auf einem Ring zeigt.

Frequenzselektive Oberflächen

Modellieren Sie Transmission, Reflexion und Beugung von frequenzselektiven Oberflächen und periodischen Strukturen.

Eine Nahansicht eines Flugzeugmodells, die das elektrische Feld zeigt.

Elektrostatische Entladung und Blitze

Betrachten Sie zeitveränderliche Hochspannungsquellen und ihre Auswirkungen auf Schaltkreise und Flugzeuge.

Hochfrequenz- und Mikrowellenerwärmung

Mikrowellenerwärmung ist wichtig für die Lebensmittelverarbeitung, die Medizintechnik und natürlich für mobile Geräte. Die neuesten 5G-Komponenten erzeugen mehr Wärme als frühere Generationen von Bauelementen, wodurch das Wärmemanagement wichtiger denn je ist. Das RF Module verfügt über eine vollständig integrierte elektromagnetische Erwärmungs- und Wärmetransportfunktionalität mit der Fähigkeit, Wärmeleitung, Konvektion und temperaturabhängige Materialdaten zu berücksichtigen. Zusammen mit dem Structural-Mechanics Module oder MEMS Module können Sie thermische Verformungen und Spannungen berücksichtigen. Durch Hinzufügen des Heat Transfer Module können Sie zusätzlich die Auswirkungen der Wärmestrahlung in Ihre Modelle einbeziehen.

Modell eines Cavity-Filters, das die Temperatur und die thermischen Spannungen zeigt.
Nahaufnahme einer Welle, die sich durch einen gekrümmten Wellenleiter bewegt und einen dielektrischen Block erwärmt.
Nahaufnahme eines Modells einer Doppelsteghornantenne, das das Strahlungsmuster und das elektrische Feld zeigt.
Nahaufnahme des Strahlungsmusters eines Kfz-Radar-Modells.
Nahaufnahme eines Modells einer "Sierpinski Fractal Monopole Antenna" mit Darstellung des elektrischen Feldes und des Strahlungsmusters.
Nahaufnahme eines Modells einer Dual-Band-Streifenantenne mit Darstellung des elektrischen Feldes und des Strahlungsmusters.

Antennen und Strahlung

Die Performance von strahlenden Bauteilen wie Antennen oder Antennengruppen lässt sich anhand der Richtcharakteristik (directivity) und der Verstärkung (gain) aus dem Strahlungsdiagramm, welches aus der Nahfeldlösung mithilfe einer speziellen Fernfeldanalyse berechnet wird, leicht bestimmen. Die Leistungsanpassung (input matching) des Antenneneingangs ist durch die Verwendung von Port-Randbedingungen an der Antennenspeisung möglich, die auch zur Berechnung der S-Parameter verwendet werden.

Für den Fall, dass ein strahlendes Bauteil zylindersymmetrisch ist, ermöglicht eine achsensymmetrische 2D-Analyse eine um Größenordnungen schnellere Berechnung.

Die Analyse von Antennen-Arrays ist rechenintensiv, wenn sie explizit modelliert wird. Für eine schnelle Machbarkeitsstudie der Performance können Sie die Simulation vereinfachen, indem Sie die Funktionalität für Antennen-Array-Faktoren verwenden und dadurch wertvolle Rechenzeit sparen.

Für Streusimulationen können Sie mit einer dedizierten Streufeld-Formulierung eine einfallende Welle als Hintergrundfeld definieren. Hierbei ist die Definition als Gauß-Strahl, linear polarisierte ebene Welle und benutzerdefiniertes Feld möglich.

Die Einbeziehung perfekt absorbierender Schichten (perfectly matched layer, PML) ermöglicht die Absorption auslaufender Strahlung für einen breiten Bereich von Frequenzen und Einfallswinkeln.

Features und Funktionen des RF Module

Erkunden Sie detailliert in den folgenden Abschnitten die Features und Funktionen des RF Module.

Nahaufnahme des Model Builder mit dem hervorgehobenen Elektromagnetische Wellen, Frequenzbereich Knoten und einem Dipol-Antennenmodell im Grafikfenster.

Integrierte Interfaces

Das RF Modul bietet integrierte Interfaces für alle oben aufgeführten Analysetypen. Diese Interfaces definieren Sets von Gebietsgleichungen, Randbedingungen, Anfangsbedingungen, vordefinierte Netze, vordefinierte Studien mit Löser-Einstellungen sowie vordefinierte Plots und abgeleitete Größen. Alle diese Schritte werden innerhalb der COMSOL Multiphysics®-Umgebung gemacht.

Die verfügbaren Randbedingungen entsprechen den zu modellierenden Mikrowellenkomponenten. Bauteilbibliotheken helfen bei der Geometrieerstellung der Komponente. Die Vernetzung und die Lösereinstellung werden von der Software automatisch vorgenommen, mit Optionen der individuellen Anpassung.

Nahaufnahme der Einstellungen für die importierten Bauteile. Im Grafikfenster ist ein Modell eines Wilkinson-Leistungsteilers.

CAD-Import und Bauteilbibliotheken

Mit dem zusätzlichen CAD Import Module können Sie eine Vielzahl von CAD-Formaten für Ihre Hochfrequenzanalyse importieren. Zu den Importoptionen gehören Reparatur und die Möglichkeit, Ihre Geometrie zu bereinigen (defeaturing), um sie für die Vernetzung und Analyse vorzubereiten. Das Design Modul umfasst nicht nur diese Funktionen, sondern auch weitere 3D CAD Operationen: Loft, Verrundung, abschrägen von Kanten, Zwischenfläche und Verdickung.

Für die direkte Erstellung von Geometrien in COMSOL Multiphysics® enthält das RF Module eine Bibliothek (Part Library) mit komplexen Bauteilen, die häufig für Hochfrequenzsimulationen benötigt werden: Steckverbinder, oberflächenmontierte Bauteile und Hohlleiter. Die Bauteile stehen als parametrische Geometriemodelle zur Verfügung und viele enthalten Selektionen für die leitfähigen Randschichten zur Anwendung von PEC-Randbedingungen während Sie Ihre Simulation aufsetzen.

Nahaufnahme des Model Builder und ein 1D-Plot im Grafikfenster.

Transformationen im Frequenz- und Zeitbereich

Während transiente Analysen für TDR nützlich sind, um Fragestellungen der Signalintegrität (SI) zu behandeln, werden viele HF- und Mikrowellenbeispiele mit Hilfe von Simulationen im Frequenzbereich behandelt, die S-Parameter erzeugen. Mit Durchführung einer Frequenz-Zeit FFT (fast Fourier transform) im Anschluss an eine konventionellen Frequenzbereichsstudie ist eine TDR-Analyse möglich. Diese Art der Analyse hilft bei der Identifizierung von physikalischen Diskontinuitäten und Impedanzfehlanpassungen auf einer Übertragungsleitung, indem die Signalfluktuation im Zeitbereich untersucht wird.

Die Durchführung eines Breitband-Frequenzsweeps mit kleiner Frequenzschrittweite kann eine zeitaufwändige und mühsame Aufgabe sein. Eine Breitband-Antennenstudie, wie z. B. eine S-Parameter- und/oder Fernfeld-Analyse, kann durch die Durchführung einer transienten Simulation und einer Zeit-Frequenz FFT erhalten werden.

Nahaufnahme des Model Builder mit dem hervorgehobenen Thermische Ausdehnung-Knoten und einem Hohlraumfiltermodell im Grafikfenster.

Multiphysik-Analyse

Für die Modellierung realer Systeme ermöglichen COMSOL Multiphysics®, das RF Module und weitere Add-On Produkte eine Vielzahl von Multiphysik-Analysen. Thermische Analyse und Spannungsverformung sind wichtige Aspekte für Filterdesigns. Beispielsweise bestehen Hohlraumfilter in der Regel sowohl aus dielektrischen als auch aus metallischen Materialien. Die Leitfähigkeit von Metallen variiert mit der Temperatur, was sich auf die Verluste im Bauteil auswirkt und Wärme ableitet. Die Dissipation der Wärme führt zu einem Temperaturanstieg, welcher bewirkt, dass sich die Materialien ausdehnen oder zusammenziehen. Wenn also ein Hohlraumfilter einer hohen Leistungsbelastung oder einer extremen thermischen Umgebung ausgesetzt ist, kann es zu einem Drift kommen. Multiphysik-Analysen helfen Ihnen, solche Effekte bei der Bauteiloptimierung zu berücksichtigen.

Nahaufnahme des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Perfekt Absorbierende Schicht (perfectly matched layer, PML). Im Grafikfenster ist die Geometrie von einem menschlichen Kopf neben einer Antenne dargestellt.

Randbedingungen

Für eine genaue elektromagnetische Modellierung im Hochfrequenzbereich benötigt man umfangreiche Optionen für Randbedingungen, z. B. zur Beschreibung von metallischen Flächen.

Einige Randbedingungen des RF Module:

  • Idealer elektrischer und magnetischer Leiter
  • Impedanz-Randbedingung (endliche Leitfähigkeit)
  • Übergangs-Randbedingung (dünne verlustbehaftete metallische Schicht und mehrere Lagen)
  • Periodische Bedingung (Floquet)
  • Absorbierende Grenzschichten
  • Kapazitive, induktive und ohmsche Netzwerk-Elemente
  • Ports
    • Rechteckiger und ringförmiger Wellenleiter
    • Koaxialkabel
    • Numerisch (Modenanpassung an eine beliebige Form)
    • Transversal-elektromagnetisch (TEM)
    • Netzwerk-Port
    • Zwei- und Drei-Port-Netzwerksysteme mit Touchstone-Dateien
Nahaufnahme des Model Builder mit dem hervorgehobenen Materialien Knoten und dem Fenster Material hinzufügen mit den RF-Optionen.

Materialeigenschaften

Das RF Module enthält eine Bibliothek mit Materialeigenschaften für Substratmaterialien zur Unterstützung der Modellierung von Hochfrequenz-, Mikrowellen- und Millimeterwellen-Leiterplatten sowie der nichtlinearen magnetischen Modellierung. Die RF-Materialbibliothek enthält Materialeigenschaftsdaten der Produkte folgender Unternehmen:

  • Rogers Corporation
  • Isola Group
  • Avient Corporation

Für fortgeschrittene Modellierung können Sie das Material durch inhomogene, anisotrope, nichtlineare und dispersive Eigenschaften anpassen. Alle Eigenschaften können räumlich variieren und diskontinuierlich sein. Zusätzlich können Sie die relative Permittivität und Permeabilität definieren. Für verlustbehaftete Materialien können Sie komplexwertige Eigenschaften, Leitfähigkeiten oder Verlusttangens (loss tangents) verwenden. Für Materialien, die dispersive Eigenschaften aufweisen, werden zwei Modelle bereitgestellt: Drude-Lorentz und Debye. Für fortgeschrittene Analysen mit magnetischen Materialien können Sie ein nichtlineares magnetisches Verhalten definieren.

Nahaufnahme des Model Builder mit dem hervorgehobenen Smith-Plot Knoten und den entsprechenden Ergebnissen im Grafikfenster.

Visualisierung und Extraktion von Daten

Präsentieren Sie Simulationsergebnisse mit Hilfe von vordefinierten Plots für elektrische und magnetische Felder, S-Parameter, Leistungsfluss, Dissipation, Fernfeld-Strahlungscharakteristik und Smith-Plots. S-Parameter können in das Touchstone-Format exportiert werden. Sie können Ihre Ergebnisse auch als Plots von frei definierten Ausdrücken der physikalischen Größen oder als Tabelle der abgeleiteten Simulationswerte darstellen.

Nahaufnahme des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Beugungsordnung und einem hexagonalem Gittermodell im Grafikfenster.

Periodische Strukturen

Periodische Strukturen sind von grundlegender Bedeutung für viele technische elektromagnetische Strukturen, die für Anwendungen wie neuartige 5G-Hardware, Subwellenlängen-Bildgebung und fortschrittliche Radartechnologien entwickelt werden. Im RF Module können Sie diese Strukturen, einschließlich ihrer Beugungsmoden höherer Ordnung, mit periodischen Floquet-Bedingungen und unterschiedlichen Beugungsordnungen modellieren. Mit diesen Funktionen können Designs für Reflexions- und Transmissionsgitter und holografische Oberflächen präzise entworfen werden.

Jedes Unternehmen und jeder Simulationsbedarf ist einzigartig.

Um zu beurteilen, ob die COMSOL Multiphysics® Software Ihren Anforderungen entspricht, kontaktieren Sie uns bitte. Wenn Sie mit einem unserer Vertriebsmitarbeiter sprechen, erhalten Sie persönliche Empfehlungen und vollständig dokumentierte Beispiele, die Ihnen helfen, das Beste aus Ihrer Evaluierung herauszuholen und die beste Lizenzoption für Ihre Bedürfnisse zu wählen.

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