仿真优化微波和毫米波器件

“RF 模块”通过研究高频电磁应用中的电磁波传播和谐振效应等，帮助用户理解、优化在射频、微波和毫米波领域中所用器件的性能。

射频和微波器件的设计人员需要确保其产品的可靠性和稳定性，传统的电磁仿真仅能研究电磁效应，但在实际工程中，这些器件往往是在非理想工作条件下运行的。为了研究其他物理效应对器件的影响，需要扩展传统的电磁分析模型，考虑温升和结构变形等多种效应的影响，实现更全面、精准的分析。

软件提供的多物理场耦合功能，方便用户在同一个软件界面内，考虑如微波和射频加热在内的各种多物理场效应，更准确的分析和优化射频器件的设计。

RF 模块：使设计满足当前和未来发展

在无线传输设备行业中，电磁波仿真分析常常用来辅助包括天线和射频前端，如滤波器、耦合器、功分器和阻抗匹配电路等产品的设计和开发，以适应 5G MIMO 网络、物联网（IoT）和卫星通信（SatCom）等领域快速发展的产品迭代和技术进步。

此外，对于可穿戴设备、自动驾驶汽车以及先进微波和射频产品等各类应用，评估无线通信的射频干扰和电磁兼容（EMC/EMI）也非常重要。

高频电磁分析方法

“RF 模块”主要基于有限元法（FEM）进行常规的高频电磁分析，也针对特定问题提供替代方法和求解器，以满足不同类型分析的需求。“RF 模块”内置的默认求解器提供准确的求解，为您的设计提供仿真支持。

有限元法（FEM）用于频域和瞬态分析，根据 CAD 曲面的曲率，采用 1、2 或 3 阶矢量/边元素。软件提供四面体、六面体、棱柱形和金字塔形网格单元，以及自动和自适应网格划分。对于频域分析，通过频率扫描可以计算共振频率、S 参数、近/远场、Q 系数、传播常数和天线特性。模型降阶（MOR）技术，即使用模型方法和基于渐近波形估计（AWE）方法的自适应频率扫描，可以提高计算效率。对于瞬态分析，可以对非线性材料、信号传播和返回时间、超宽频带特性以及时域反射法（TDR）进行建模。

此外，软件还提供了多种不同的方法，包括分析传输线方程、显式时域、使用网表的电路建模、渐近散射和边界元法（BEM）等，来满足不同的建模需求。

RF 模块支持的建模对象

使用 COMSOL^® 软件分析各种射频问题

天线和天线阵列

计算天线阵列的反射功率、远场辐射和增益模式。

显示远场辐射方向图的 8x4 微带贴片天线阵列。

传输线和波导

分析微带线、共面波导（CPW）和基片集成波导（SIW）。

用于 5G 毫米波段的波导双工器，其中显示电场和功率流。

耦合器和功分器

计算 S 参数，用于分析耦合器和功分器的匹配、隔离和耦合性能。

微带线顶部的电场模分布表明，输入能量均等地耦合到每个输出端口。

EMI/EMC

分析电磁干扰（EMI）和电磁兼容性（EMC），包括串扰和隔离。

带有 ABS 外壳的样机电路板，由不完整的导电壁构成。

铁磁材料

微波器件仿真分析中考虑铁磁材料的影响，例如铁氧体谐振器和环行器。

采用各向异性磁性材料（如铁氧体）的微带线环行器。

滤波器

分析微带、CPW 和腔体滤波器的性能，考虑热、结构和其他物理效应的影响。

使用共面波导（CPW）制造的 RFIC 低通滤波器

微波炉

将全波电磁分析与瞬态传热仿真相结合。

传热仿真，显示微波炉内的热量如何在食物中重新分布。

生物医学和 MRI

模拟微波治疗以及 MRI 与植入装置的相互作用。

笼式线圈内空气模型周围的电场。

散射和雷达散射截面

使用全波和渐近方法计算雷达散射截面（RCS）和一般散射场。

PEC 球体的雷达散射截面和入射到表面的背景场。

频率选择表面

模拟频率选择表面和一般周期性结构的透射、反射和衍射现象。

周期性互补开口谐振环结构用作带通滤波器层

ESD 和雷电

研究随时间变化的高压源及其对电路和飞机的影响。

飞机模型，显示了其中一个机翼受到的雷击以及飞机表面的电场模。

射频和微波加热

微波加热不仅在食品加工、医疗技术等多个领域扮演着重要的角色，在移动设备中也备受关注。随着 5G 技术的推广，高功率的 RF 组件会产生比以往更多的热量，使得热管理变得前所未有的重要。“RF 模块”具有完全集成的电磁热和传热分析功能，能够处理热传导和热对流，以及与温度相关的材料数据。与结构力学模块或 MEM模块结合使用时，还能计算热变形和应力，提供全面的热管理解决方案。通过添加传热模块，还可以进一步考虑热辐射的影响，以获得更准确的分析结果。

天线和辐射

通过远场分析，可以在辐射元件（如天线或天线阵列）近场解的基础上计算出辐射方向图，方便用户通过辐射方向图的方向性和增益来表征这些元件的性能。此外，在天线馈源上使用端口条件（用于计算 S 参数），可以轻松获得与天线输入匹配的属性。

如果辐射装置具有轴对称性，二维轴对称分析选项可以使计算速度提高多个数量级。

在分析天线阵列时，如果进行完整阵列的三维建模，通常对计算资源要求很高。用户可以使用天线阵列因子功能简化模型，快速进行天线阵列性能的可行性研究，以节省计算时间。

软件提供了专门的散射场公式，可将入射波指定为背景场，包括高斯波束、线偏振平面波和用户定义的场，来进行散射分析。

使用完美匹配层（PML）能够在广泛的频率和入射角范围内吸收出射辐射，以提高仿真精度。

RF 模块的主要功能

阅读以下内容，详细了解“RF 模块”的功能

内置物理场接口

“RF 模块”提供了内置的物理场接口，可为上述所有分析类型提供支持。您可以通过这些接口轻松地设置域方程、边界条件、初始条件、预置的网格、带求解器设置的预置研究，以及相应的绘图和派生值。所有这些步骤都可以在 COMSOL Multiphysics^® 环境中执行，建模过程直观、高效。

软件提供的边界条件与建模的微波元件相对应，“零件库”可以帮助用户轻松创建器件的几何形状，使建模过程更加简单快捷。软件还提供了自动的网格划分功能和求解器设置，并提供手动编辑选项。

本例使用内置的电磁波，频域 接口模拟偶极天线周围的电场大小。该模型由 PML、导电辐射器和集总端口组成

CAD 导入和零件库

通过添加 CAD 导入模块，您可以导入各种行业标准格式的 CAD 文件，用于射频分析。导入选项包含修复功能，使您可以轻松去除几何特征，使几何模型更适用于后续的网格划分和计算。设计模块不仅包含以上功能，还支持更多的三维 CAD 操作，包括放样、倒圆角、倒斜角、抽取中面和加厚等。

用户在 COMSOL Multiphysics^® 中创建几何模型时，可使用“RF 模块”内置的“零件库”，其中包含射频仿真中常用的各种复杂形状：连接器、表面贴装器件和波导等。这些零件可以用作参数化几何模型，许多射频零件都包含传导边界选择，方便您在设置分析时应用 PEC 边界条件。

从零件库 导入的四孔法兰 SMA 连接器。您可以通过更改几何 节点下的参数，根据几何生成不同的形状。结果显示通过导入的几何构建的 Wilkinson 功分器的电场。

频域和时域转换分析（TDR）

尽管瞬态分析对于采用 TDR 处理信号完整性（SI）问题非常有用，但在许多射频和微波应用中，也可以通过生成 S 参数的频域仿真来进行分析。通过在常规的频域研究之后执行频域到时域快速傅里叶变换（FFT），可以进行 TDR 分析，有助于通过研究时域中的信号波动来确定传输线上的物理不连续性和阻抗失配。

执行小频率步长的宽带频率扫描可能是一项耗时且繁琐的任务，用户可以通过执行瞬态仿真和时频快速傅里叶变换（FFT）来进行宽带天线研究，例如 S 参数和/或远场辐射方向图分析。通过这种方法，可以在较短的时间内获得更广泛的频率响应信息。

“RF 模块”可用于在 TDR 域之间转换数据，以通过快速傅里叶变换（FFT）过程获得结果。

多物理场分析

为了准确模拟真实场景中的物理现象，COMSOL Multiphysics^®、“RF 模块”和其他附加产品支持各种多物理场仿真分析。在滤波器设计中，热分析和应力变形是至关重要的考虑因素。例如，腔体滤波器通常由电介质材料和金属材料制成，金属的电导率会随温度的变化而改变，从而影响器件的损耗和散热。             这种热损耗会引起温度升高，而温度的变化又会导致材料膨胀或收缩。因此，当腔体滤波器承受高功率载荷或极端热环境时，可能会发生带通漂移。多物理场分析可以帮助您在器件优化过程中考虑这些影响，做出更好的决策。

热膨胀 多物理场耦合将固体传热 与固体力学 物理场接口相结合，结果显示 5G 腔体滤波器的应力和电场模。

边界条件

为了进行准确的高频电磁分析，“RF模块”提供了大量的边界条件选项来描述金属边界等各种情况，包括

· 理想电导体和磁导体（PEC 和 PMC）

· 阻抗（有限电导率）

· 过渡（有损薄金属板和多层）

· 周期（Floquet）

· 吸收边界

· 电容、电感和电阻集总元件

· 端口

o 矩形和圆形波导

o 同轴电缆

o 数值（与任意形状匹配的模式）

o 横电磁（TEM）

o 集总

o 带有 Touchstone 文件的二端口和三端口网络系统

本例将完美匹配层 特征应用于简化的人体头部和大脑模型，以防止外壁产生不必要的反射。结果显示贴片天线的电场模。

材料属性

“RF 模块”提供了一个材料属性库，用于准确分析射频、微波和毫米波电路板以及非线性磁性材料，包含以下公司产品的材料属性数据：

· 罗杰斯公司

· Isola Group

· 普立万公司

除此之外，用户还可以通过自定义非均匀、各向异性、非线性和色散材料的属性来定制材料，这些属性都可以在空间上变化且不连续；用户也可以定义相对介电常数和磁导率。对于有损材料，则可以使用复值属性、电导率或损耗角正切来定义其材料参数。对于表现出色散的材料，软件预置了两种常用模型：Drude-Lorentz 和德拜模型。对于磁性材料，用户可以指定非线性磁性特性。

微带线电路板模型采用 RF 材料库中的 Rogers Corporation 材料。该库包含许多用于模拟射频元件的基板材料。

数据可视化和提取

运行计算得到分析结果后，用户可以轻松地将仿真结果可视化并导出。软件提供了预定义的电场和磁场、S 参数、功率流、耗散、远场辐射方向图和史密斯图等绘图选项，可以将 S 参数导出为 Touchstone 文件格式，也可以将结果显示为自由定义的物理量表达式，或者以表格形式显示通过仿真得到的派生值。

电路板模型的结果，显示了电场模（三维），右侧的史密斯图显示 S 参数的反射图。

周期性结构

周期性结构是许多工程电磁结构的基础，在新型 5G 硬件、亚波长成像和先进雷达技术等领域得到广泛的应用。“RF 模块”提供了 Floquet 周期条件和不同的衍射级，用于对这些结构（包括它们的高阶衍射模式）进行建模，从而精确地设计反射和透射阵天线以及全息表面的元件。

六边形光栅模型使用周期性条件 和衍射级 特征来创建周期性结构。结果显示电场模、入射波和反射波。