模擬電磁設(shè)備時(shí)，一個(gè)常見(jiàn)的錯(cuò)誤是將建模時(shí)考慮了全部細(xì)節(jié)，包括復(fù)雜的幾何形狀、復(fù)雜的材料屬性和混合的邊界條件。這會(huì)使模型運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間，當(dāng)仿真結(jié)果存在物理原理性錯(cuò)誤，又無(wú)法找到原因時(shí)，我們可能會(huì)因此沮喪。今天，我們將討論如何在 COMSOL Multiphysics? 軟件中高效地建立簡(jiǎn)單的射頻（RF）、微波和毫米波電路模型。如何在 COMSOL Multiphysics? 中搭建射頻、微波和毫米波電路無(wú)論設(shè)備的特性如何，無(wú)論是諧振、輻射還是衰減，電磁仿真的經(jīng)驗(yàn)法則都很簡(jiǎn)單: 就像上一篇文章中所介紹的，需要使建模過(guò)程高效。即使我們對(duì)自己的設(shè)計(jì)充滿信心，也最好從簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)開(kāi)始，以便在添加復(fù)雜的設(shè)計(jì)元素之前，對(duì)于給定的基本幾何圖形，可以確保建模過(guò)程是正確的。當(dāng)電磁波不是被輻射而是被設(shè)備捕獲時(shí)，它們會(huì)通過(guò)一個(gè)結(jié)構(gòu)被引導(dǎo)、抑制或衰減。無(wú)源微波和毫米波電路內(nèi)部的物理現(xiàn)象可以通過(guò)求解麥克斯韋方程組進(jìn)行電磁 (EM) 仿真來(lái)解決。通過(guò)微帶曲線連接到 SMA 插座的封閉電磁波。 為了在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中有效地描述無(wú)源電路測(cè)量，選擇正確的物理特征和邊界條件非常重要。在模型中準(zhǔn)確反映真實(shí)世界的條件，同時(shí)又能節(jié)省時(shí)間和內(nèi)存，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。下面，我們總結(jié)了一些實(shí)測(cè)結(jié)果真實(shí)世界的測(cè)量和試驗(yàn)條件測(cè)試情況以及在 COMSOL Multiphysics 中可供選擇的可能建模功能：在建立無(wú)源電路模型時(shí)，不需要在建模過(guò)程開(kāi)始時(shí)就設(shè)置很多復(fù)雜的邊界條件。我們只需使用 COMSOL Multiphysics 和 RF 模塊中的兩個(gè)功能就可以搭建電路，尤其是低頻電路。讓我們使用一個(gè)微帶線示例來(lái)說(shuō)明這個(gè)過(guò)程。微帶線電路由五個(gè)對(duì)象組成，每個(gè)對(duì)象都有特定的用途：- 充當(dāng)充滿空氣的金屬外殼的長(zhǎng)方體
材料包括介電基板（用戶定義）和空氣，空氣包圍整個(gè)域。- 理想電導(dǎo)體 邊界條件，模擬具有高電導(dǎo)率的金屬表面
- 集總端口 邊界條件，用于激勵(lì)或終止電路并測(cè)量 S 參數(shù)
微帶線電路中的金屬部分：頂部銅線和接地面（左）以及微帶線一端的 集總端口邊界條件（右）。在預(yù)期的工作頻率下，仿真可能只需要幾秒鐘就可以完成求解。我們將獲得單個(gè)頻率的默認(rèn) S 參數(shù)評(píng)估和電場(chǎng)分布圖。當(dāng)在多個(gè)頻率進(jìn)行仿真時(shí)，默認(rèn)繪制電場(chǎng)分布圖、S 參數(shù)圖和史密斯圖。我們還可以根據(jù)需要評(píng)估端口阻抗。通過(guò)微帶線的網(wǎng)格視圖可以看見(jiàn)基板表面的電場(chǎng)分布。使用 RF 模塊我們可以在電磁仿真中添加其他物理效應(yīng)。這意味著我們可以研究所有物理現(xiàn)象并定義適合我們獨(dú)特需求的屬性。在驗(yàn)證我們的設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮單個(gè)物理效應(yīng)，還要考慮多個(gè)物理場(chǎng)——并了解所涉及的底層物理問(wèn)題。接下來(lái)，我們可以開(kāi)始設(shè)計(jì)自己的微波和毫米波電路，無(wú)論是耦合器、功率分配器、濾波器還是寬帶設(shè)備。
使用 RF 模塊開(kāi)發(fā)微波和毫米波電路RF 模塊的案例庫(kù)提供了關(guān)于各種應(yīng)用的RF、微波和毫米波示例。教程模型包括常見(jiàn)設(shè)備，如基本傳輸線、耦合器、功分器、濾波器和線圈，以及多物理場(chǎng)示例，如微波爐、SAR 計(jì)算、可調(diào)濾波器等。還有一個(gè)使用鐵氧體材料特性的環(huán)行器示例。傳統(tǒng)濾波器、耦合器和功率分配器示例耦合器、功率分配器和濾波器是微波工程中的基本器件。它們是學(xué)習(xí)如何在 COMSOL? 軟件中模擬微波電路的很好的入門示例。使用教科書(shū)中的經(jīng)典案例可以相對(duì)容易地評(píng)估我們的仿真結(jié)果。分支線耦合器（正交混合型，左）和 Wilkinson 功分器（右）的經(jīng)典案例。 濾波器在微波電路中是必不可少的，用于改善射頻和微波系統(tǒng)中的信號(hào)。一個(gè)耦合線帶通濾波器（左）和 波導(dǎo)虹膜帶通濾波器（右）。 無(wú)源器件并不局限于印刷電路板上傳統(tǒng)的電路形狀。例如，另一種器件由周期性結(jié)構(gòu)組成，可以為帶通或帶阻提供頻率響應(yīng)，稱為頻率選擇表面、開(kāi)口諧振環(huán)。在下面的例子中，中心頻率附近的信號(hào)是唯一能夠通過(guò)周期性互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)形諧振器層的信號(hào)。頻率選擇表面、互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)模型。我們可以使用周期性邊界條件對(duì)一個(gè)晶胞上的無(wú)限二維陣列進(jìn)行建模。 為多物理場(chǎng)仿真添加更多物理效應(yīng)由于熱膨脹、外力或壓電材料的特性，電路的結(jié)構(gòu)可能會(huì)變形。該表面會(huì)不均勻地彎曲，這會(huì)導(dǎo)致電抗分布不均勻，這不能簡(jiǎn)單地通過(guò)幾何參數(shù)掃描解決。通過(guò)在設(shè)計(jì)中包含真實(shí)的物理效應(yīng)，我們可以準(zhǔn)確地分析復(fù)雜的設(shè)備，例如由壓電驅(qū)動(dòng)器控制的可調(diào)濾波器，實(shí)現(xiàn)真正的多物理場(chǎng)仿真。由壓電驅(qū)動(dòng)器控制的可調(diào)諧腔濾波器（上圖）和受外力影響的印刷低通濾波器（下圖）的多物理場(chǎng)動(dòng)畫(huà)示例。要進(jìn)行多物理場(chǎng)仿真，我們只需將其他物理場(chǎng)與微波電路相結(jié)合，例如模擬微波加熱的傳熱或結(jié)構(gòu)力學(xué)，以了解結(jié)構(gòu)變形如何影響設(shè)備的電磁性能。盡管我們正在處理多個(gè)物理場(chǎng)，但仍然使用同一個(gè)工作流程在同一個(gè)環(huán)境中工作。使用降階建模技術(shù)加速電磁仿真某些電磁設(shè)備，如頻域中的帶通濾波器型高品質(zhì)設(shè)備，模擬起來(lái)計(jì)算成本很高。RF模塊提供兩種分析類型來(lái)幫助加速帶通濾波器建模:漸近波形評(píng)估(AWE)和頻域模態(tài)分析。消失模圓柱腔濾波器教程模型顯示了漸近波形評(píng)估方法的使用。它在模擬具有多個(gè)頻率點(diǎn)的單個(gè)諧振電路時(shí)非常有用。 COMSOL案例庫(kù)中的級(jí)聯(lián)矩形腔濾波器（左）和共面波導(dǎo)帶通濾波器（右）示例展示了，在分析由多個(gè)諧振組合產(chǎn)生的無(wú)源電路的帶通頻率響應(yīng)時(shí)使用頻域模態(tài)方法的優(yōu)勢(shì)。在這里，特征頻率分析是獲取任意形狀設(shè)備共振頻率的關(guān)鍵。通過(guò)漸近波形評(píng)估或頻域模態(tài)法，我們可以獲得非常精確的頻率響應(yīng)，這可能會(huì)形成包含大量數(shù)據(jù)的超大文件。通常，設(shè)計(jì)人員只關(guān)心無(wú)源微波電路的S參數(shù)，因此不需要保存整個(gè)仿真域中的所有數(shù)據(jù)，而只需要保存與 S 參數(shù)計(jì)算邊界相關(guān)的數(shù)據(jù)：集總端口和端口邊界。這些邊界大小相對(duì)較小，運(yùn)用模型降階技術(shù)，通過(guò)僅保留相關(guān)端口邊界上的解，可以大大減小模型文件的大小。電路中的時(shí)域反射法電磁波，瞬態(tài) 物理場(chǎng)接口模擬時(shí)域中的電磁波傳播，其中可以計(jì)算微波電路的時(shí)域反射法(TDR)。通過(guò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行時(shí)域反射法分析，我們可以預(yù)測(cè)通過(guò)電路傳輸?shù)男盘?hào)質(zhì)量。傳輸線之間的耦合導(dǎo)致的電壓失真以及傳輸線中任何不連續(xù)性導(dǎo)致的阻抗不匹配都會(huì)降低信號(hào)質(zhì)量：即信號(hào)完整性。由于市場(chǎng)上對(duì)處理更高數(shù)據(jù)速率的高速互連設(shè)備的需求越來(lái)越多，因此對(duì)信號(hào)完整性應(yīng)用領(lǐng)域的需求也在快速增長(zhǎng)。下面的示例分別說(shuō)明了兩種情況下的時(shí)域反射法：兩個(gè)相鄰微帶線之間不必要的耦合和金屬過(guò)孔的阻抗不匹配。在這兩種情況下，隨著時(shí)間的推移，這都會(huì)對(duì)集總端口電壓產(chǎn)生不良影響。微帶線串?dāng)_模型（左）及其在每個(gè)端口的時(shí)域反射法，顯示了更高數(shù)據(jù)速率的信號(hào)在另一信號(hào)路徑（右）引起強(qiáng)串?dāng)_。 時(shí)域反射法分析可用于優(yōu)化高速互連設(shè)計(jì)的阻抗匹配特性。加速樣機(jī)設(shè)計(jì)和傳輸線方程分析由于即將到來(lái)的 5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需要兼容更高的數(shù)據(jù)通信速率，因此越來(lái)越多的人關(guān)注毫米波頻段。計(jì)算效率高的仿真有助于快速驗(yàn)證樣機(jī)設(shè)計(jì)。當(dāng)波導(dǎo)以其主導(dǎo)模式運(yùn)行時(shí)，二維建模技術(shù)有助于大幅減少仿真時(shí)間。雙工器是一種將信號(hào)組合或分離成兩個(gè)不同頻段的設(shè)備，廣泛用于移動(dòng)通信系統(tǒng)。這個(gè)波導(dǎo)雙工器示例使用簡(jiǎn)化的二維幾何體模擬拆分特性。 當(dāng)傳輸線之間的耦合很小時(shí)，傳輸線 物理場(chǎng)接口也將節(jié)省時(shí)間和資源。使用傳輸線方程求解時(shí)，通常需要幾分鐘到幾小時(shí)的仿真可以在幾秒鐘內(nèi)完成。傳統(tǒng)的低通濾波器（左）和4×4的巴特勒矩陣（右）。一旦評(píng)估了傳輸線電路的基本性能，就可以將設(shè)計(jì)擴(kuò)展并與三維模型相連。在 30GHz 下使用 8×8 巴特勒矩陣的 8×1 相控陣天線：快速傳輸線分析和三維全波有限元仿真的組合。結(jié)語(yǔ)在這篇文章中，我們討論了用于微波電路建模的不同技術(shù)，以及可以使用 RF 仿真設(shè)計(jì)的設(shè)備示例。借助這些信息和示例，我們可以在 COMSOL Multiphysics 中設(shè)計(jì)無(wú)源電路，同時(shí)保持高效的計(jì)算。
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