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Module RF

Optimisez les dispositifs micro-ondes et ondes millimétriques

Le module RF vous aide à optimiser la conception en étudiant des effets tels que la propagation des ondes électromagnétiques et les effets de résonance dans les applications haute fréquence. Utilisez le module RF pour comprendre et prévoir les performances des dispositifs utilisés dans les industries RF, micro-ondes et ondes millimétriques.

Les concepteurs de dispositifs RF et micro-ondes doivent s'assurer que les produits basés sur l'électromagnétisme sont fiables et robustes. La modélisation électromagnétique traditionnelle vous permet d'examiner uniquement les effets des ondes électromagnétiques, mais aucun produit du monde réel ne fonctionne dans des conditions opérationnelles idéales. Pour voir comment d'autres phénomènes physiques affectent la conception, vous avez besoin de la modélisation multiphysique, qui permet d'étendre votre analyse pour inclure des effets tels que l'élévation de température et les déformations mécaniques.

Grâce au module complémentaire RF de la plate-forme de simulation COMSOL Multiphysics®, vous pouvez analyser les conceptions RF dans des scénarios idéaux ou multiphysiques, y compris le chauffage par micro-ondes et RF, le tout dans le même environnement logiciel.

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Un modèle de voiture dans l'échelle de couleur Thermal Wave enfermé dans une chambre anéchoïque en forme de dôme.
Vue rapprochée d'un modèle de chambre anéchoïque montrant la distribution du champ électrique.
Vue rapprochée d'un modèle de dispositif mobile montrant le champ électrique.

Concevoir pour le présent et l'avenir avec le module RF

Dans l'industrie des dispositifs sans fil, qui évolue rapidement, les calculs d'ondes électromagnétiques sont utilisés dans le développement de produits pour suivre les progrès technologiques. Par exemple, les antennes et les éléments front-end RF, comme les filtres, les coupleurs, les diviseurs de puissance et les circuits d'adaptation d'impédance, doivent être compatibles avec les développements futurs, tels que le réseau MIMO 5G, l'internet des objets (IoT) et la SatCom.

Il est également important d'utiliser un logiciel d'analyse pour évaluer les interférences RF et la compatibilité dans les plateformes de communication sans fil afin d'assurer le fonctionnement sans faille de vos produits pour les applications en développement, notamment les dispositifs portables, les véhicules autonomes et les produits micro-ondes et RF de pointe.

Analyses et solveurs électromagnétiques haute fréquence

Le module RF s'appuie essentiellement sur la méthode éprouvée des éléments finis (FEM) pour les analyses électromagnétiques haute fréquence standard, et comprend également d'autres méthodes et solveurs pour des types d'analyse spécifiques. Les solveurs par défaut intégrés au module RF vous garantissent que votre analyse est correcte et que la conception est soutenue par des solutions numériques solides. La méthode FEM est utilisée pour l'analyse dans le domaine des fréquences et l'analyse transitoire, avec des éléments vectoriels/d'arêtes d'ordre 1, 2 ou 3 qui s'adaptent à la courbure des surfaces de la CAO. Il existe des éléments de maillage tétraédriques, hexaédriques, prismatiques et pyramidaux, ainsi qu'un maillage automatique et adaptatif.

Pour l'analyse dans le domaine fréquentiel, vous pouvez calculer les fréquences de résonance, les paramètres S, les champs proches et lointains, les facteurs de qualité, les constantes de propagation et la caractérisation des antennes par balayage en fréquence. L'efficacité du calcul peut être améliorée en utilisant des techniques de réduction de modèle (MOR) telles que la méthode modale et les balayages de fréquence adaptatifs basés sur la méthode d'évaluation asymptotique des formes d'onde (AWE). Pour l'analyse transitoire, vous pouvez modéliser les matériaux non-linéaires, la propagation du signal et le temps de retour, le comportement à très large bande et la réflectométrie dans le domaine temporel (TDR).

Des méthodes et des analyses supplémentaires sont disponibles pour les équations de lignes de transmission, le domaine temporel explicite, la modélisation de circuits électriques à l'aide d'une liste d'interconnexions, la diffusion asymptotique et la méthode des éléments de frontière (BEM).

Modèle d'antenne patch en microruban montrant le diagramme de rayonnement en champ lointain dans la palette de couleurs Rainbow Light.

Ce que vous pouvez modéliser avec le module RF

Effectuez diverses analyses en radiofréquences avec le logiciel COMSOL®.

Vue rapprochée d'un modèle d'antenne patch microruban montrant le diagramme de rayonnement en champ lointain.

Antennes et réseaux d'antennes

Calculer la puissance réfléchie, les diagrammes de rayonnement et le gain en champ lointain pour les réseaux d'antennes.

Vue rapprochée d'un modèle de diplexeur à guide d'ondes montrant le champ électrique et le flux de puissance.

Lignes de transmission et guides d'ondes

Analyser les lignes microrubans, les guides d'ondes coplanaires (CPW) et les guides d'ondes intégrés au substrat (SIW).

Vue rapprochée d'un modèle de répartiteur de puissance Wilkinson montrant le champ électrique.

Coupleurs et diviseurs de puissance

Calculer les paramètres S pour analyser les performances en adaptation, isolation et couplage pour les coupleurs et les diviseurs de puissance.

Vue rapprochée d'un modèle de circuit imprimé montrant le champ électrique.

Applications IEM/CEM

Analyser les interférences électromagnétiques (IEM) et la compatibilité électromagnétique (CEM), incluant la diaphonie et l'isolation.

Vue rapprochée d'un modèle de circulateur de ligne microruban.

Composants ferrimagnétiques

Inclure les matériaux magnétiques dans les composants micro-ondes tels que les résonateurs et les circulateurs en ferrite.

Vue rapprochée d'un modèle de filtre passe-bas RFIC avec un guide d'ondes coplanaire.

Filtres

Analyser les performances des filtres microruban, CPW et à cavité, en incluant les phénomènes thermiques, mécaniques et autres phénomènes physiques.

Vue rapprochée d'un modèle de four micro-ondes montrant la répartition de la chaleur à l'intérieur.

Fours à micro-ondes

Combiner la résolution complète des ondes électromagnétiques avec des simulations de transfert thermique en fonction du temps.

Vue rapprochée d'un modèle d'IRM à bobine de type cage d'oiseau montrant le champ électrique.

Biomédical et IRM

Simuler le traitement par micro-ondes ainsi que l'interaction IRM avec les dispositifs implantés.

Vue rapprochée d'un modèle de sphère parfaitement conductrice montrant le SER et le champ de fond.

Diffusion et RCS

Calculer la section efficace radar (SER) et les champs diffusés à l'aide de méthode de résolution ondulatoire complète ou asymptotique.

Vue rapprochée d'un modèle de résonateur à inclusion montrant le champ électrique sur un anneau.

Surfaces sélectives en fréquence

Modélisation de la transmission, de la réflexion et de la diffraction des surfaces sélectives en fréquence et des structures périodiques générales.

Vue rapprochée d'une maquette d'avion montrant le champ électrique.

ESD et foudre

Examiner les sources de haute tension variables dans le temps et leur impact sur les circuits et les avions.

RF et chauffage par micro-ondes

Le chauffage par micro-ondes est important dans la transformation des aliments, la technologie médicale et, bien sûr, dans les appareils mobiles. Les derniers composants 5G génèrent plus de chaleur que les générations précédentes d'appareils, ce qui rend la gestion thermique plus importante que jamais. Le module RF dispose d'une fonctionnalité de chauffage électromagnétique et de transfert de chaleur entièrement intégrée, avec la capacité de gérer la conduction, la convection et les données matérielles dépendant de la température. Avec le module Structural Mechanics ou le module MEMS, vous pouvez prendre en compte les déformations et les contraintes thermiques. En ajoutant le module Heat Transfer, vous pouvez inclure les effets du rayonnement thermique dans vos modèles.

Vue rapprochée d'un modèle de filtre à cavité montrant la température et les contraintes thermiques.
Vue rapprochée d'une onde se propageant dans un coude de guide d'ondes et d'un bloc diélectrique en train de chauffer.
Vue rapprochée d'un modèle d'antenne cornet à double grille montrant le diagramme de rayonnement et le champ électrique.
Une vue rapprochée du diagramme de rayonnement d'un modèle de radar automobile.
Vue rapprochée d'un modèle d'antenne monopole fractale de Sierpinski montrant le champ électrique et le diagramme de rayonnement.
Vue rapprochée d'un modèle d'antenne à ruban bi-bande montrant le champ électrique et le diagramme de rayonnement.

Antennes et rayonnement

Vous pouvez facilement caractériser les performances des éléments rayonnants, comme les antennes ou les réseaux d'antennes, en termes de directivité et de gain à partir de leur diagramme de rayonnement, qui est calculé à partir de la solution du champ proche en utilisant une analyse spécialisée pour en déduire le champ lointain. Les propriétés d'adaptation de l'entrée de l'antenne sont facilement disponibles par l'utilisation des conditions de port sur l'alimentation de l'antenne, qui est utilisée pour calculer les paramètres S.

Dans le cas où un dispositif rayonnant présente une symétrie cylindrique, un modèle 2D-axisymétrique permet d'accélérer les calculs de plusieurs ordres de grandeur.

L'analyse des réseaux d'antennes est coûteuse en ressources de calcul si elle est modélisée explicitement. Pour une étude de faisabilité rapide des performances d'un réseau d'antennes, vous pouvez simplifier la simulation en utilisant la fonctionnalité des facteurs de réseau d'antennes et ainsi gagner un temps de calcul précieux.

Pour les simulations de diffusion, une formulation dédiée aux champs diffusés vous permet de spécifier une onde incidente comme champ ambiant, comme un faisceau gaussien, une onde plane à polarisation linéaire ou des champs définis par l'utilisateur.

L'utilisation de couches parfaitement adaptées (PML) permet l'absorption du rayonnement sortant pour une large gamme de fréquences et d'angles d'incidence.

Caractéristiques et fonctionnalités du module RF

Explorez plus en détail les caractéristiques et les fonctionnalités du module RF dans les sections ci-dessous.

Vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Ondes électromagnétiques, Domaine fréquentiel en surbrillance et un modèle d'antenne dipôle dans la fenêtre graphique.

Interfaces utilisateur intégrées

Le module RF fournit des interfaces utilisateur intégrées pour tous les types d'analyse énumérés ci-dessus. Ces interfaces définissent des ensembles d'équations de domaine, des conditions aux limites, des conditions initiales, des maillages prédéfinis, des études prédéfinies avec des configurations de solveurs, ainsi que des graphiques prédéfinis et des quantités dérivées. Toutes ces étapes sont accessibles dans l'environnement COMSOL Multiphysics®.

Les conditions aux limites disponibles correspondent toutes aux composants micro-ondes modélisés. Les bibliothèques de pièces aident à construire la géométrie du composant. Les paramètres de maillage et de solveur sont gérés automatiquement par le logiciel, avec des options d'édition manuelle.

Une vue rapprochée des réglages de la pièce chargée et un modèle de répartiteur de puissance de Wilkinson dans la fenêtre graphique.

Import CAO et bibliothèques de pièces

Avec l'ajout du module CAD Import, vous pouvez importer une variété de formats CAO standard pour votre analyse RF. Les options d'import incluent la réparation et vous pouvez réparer votre géométrie pour la préparer au maillage et à l'analyse. Le module Design comprend ces fonctions, ainsi que les opérations de CAO 3D suivantes : loft, congés, chanfrein, fibre neutre et épaississement.

Lorsque vous créez des géométries directement dans COMSOL Multiphysics®, le module RF comprend une bibliothèque de pièces qui contient des formes complexes fréquemment requises pour les simulations RF : connecteurs, composants montés en surface et guides d'ondes. Les pièces sont disponibles sous forme de modèles géométriques paramétriques et de nombreuses pièces RF comprennent des sélections pour les frontières conductrices afin d'appliquer les conditions limites PEC lors de la mise en place de l'analyse.

Vue rapprochée du Constructeur de Modèles et un graphique 1D dans la fenêtre graphique.

Transformations dans le domaine fréquentiel et temporel

Bien que les analyses transitoires soient utiles pour la TDR afin de traiter les problèmes d'intégrité du signal (IS), de nombreux exemples de RF et de micro-ondes sont traités à l'aide de simulations dans le domaine fréquentiel pour calculer les paramètres S. En effectuant la transformée de Fourier rapide (FFT) fréquence-temps après l'étude conventionnelle du domaine fréquentiel, l'analyse TDR est réalisable. Ce type d'analyse permet d'identifier les discontinuités physiques et les désadaptations d'impédance sur une ligne de transmission en étudiant la fluctuation du signal dans le domaine temporel.

La réalisation d'un balayage de fréquence sur une large bande avec un petit pas de fréquence peut s'avérer long et fastidieux. Une étude d'antenne à large bande, telle qu'un calcul de paramètre S et/ou du diagramme de rayonnement en champ lointain, peut être obtenu en effectuant une simulation transitoire et une FFT temps-fréquence.

Vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Expansion thermique en surbrillance et un modèle de filtre à cavité dans la fenêtre graphique.

Analyse multiphysique

Pour modéliser les phénomènes du monde réel, COMSOL Multiphysics®, le module RF et d'autres produits complémentaires permettent une variété d'analyses multiphysiques. L'analyse thermique et les contraintes de déformation sont des considérations importantes pour les conceptions de filtres. Par exemple, les filtres à cavité sont généralement constitués de matériaux diélectriques et métalliques. La conductivité des métaux varie avec la température, ce qui affecte les pertes dans le dispositif et dissipe la chaleur. La dissipation de la chaleur entraîne une augmentation de la température, et une variation de la température entraîne la dilatation ou la contraction des matériaux. Ainsi, lorsqu'un filtre à cavité subit une charge de puissance élevée ou est placé dans un environnement thermique extrême, des écarts peuvent se produire. L'analyse multiphysique vous aidera à prendre en compte ces effets dans l'optimisation du dispositif.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Couche parfaitement adaptée mis en évidence et une géométrie de tête humaine à côté d'une antenne dans la fenêtre graphique.

Conditions aux limites

Pour une modélisation électromagnétique haute fréquence précise, vous devez avoir accès à des options avancées pour les conditions aux limites, comme par exemple pour décrire certaines limites métalliques.

Parmi les conditions aux limites du module RF :

  • Conducteur électrique et magnétique parfait (PEC et PMC)
  • Impédance (conductivité finie)
  • Transition (couche mince métallique multicouches)
  • Périodicité (Floquet)
  • Frontières absorbantes
  • Éléments réduits capacitifs, inductifs et résistifs
  • Ports
    • Guide d'ondes rectangulaire et circulaire
    • Câble coaxial
    • Numérique (mode calculé sur une forme arbitraire)
    • Electromagnétique transverse (TEM)
    • Réduit
    • Systèmes de réseaux à deux et trois ports avec fichiers Touchstone
Vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Matériaux en surbrillance et la fenêtre Ajouter un matériau affichant les options RF.

Propriétés des matériaux

Le module RF comprend une bibliothèque de propriétés de matériaux pour les matériaux de substrat afin de faciliter la modélisation de circuits imprimés RF, micro-ondes et ondes millimétriques, ainsi que la modélisation magnétique non-linéaire. La bibliothèque de matériaux RF contient les données relatives aux propriétés des matériaux des produits des sociétés suivantes :

  • Rogers Corporation
  • Isola Group
  • Avient Corporation

Pour une modélisation avancée, vous pouvez personnaliser le matériau en spécifiant les propriétés des matériaux inhomogènes, anisotropes, non-linéaires et dispersifs. Toutes les propriétés peuvent varier dans l'espace et être discontinues. En outre, vous pouvez définir la permittivité et la perméabilité relatives. Pour les matériaux présentant des pertes, vous pouvez utiliser des propriétés à valeur complexe, la conductivité ou les pertes tangentes. Pour les matériaux présentant des dispersions, deux modèles sont fournis : Drude–Lorentz et Debye. Pour une analyse plus avancée impliquant des matériaux magnétiques, vous pouvez spécifier un comportement magnétique non-linéaire.

Vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Graphique de Smith en surbrillance et les résultats correspondants dans la fenêtre graphique.

Visualisation et extraction de données

Présenter les résultats de simulation à l'aide de graphiques prédéfinis de champs électriques et magnétiques, de paramètres S, de flux de puissance, de dissipation, de diagrammes de rayonnement en champ lointain et de diagramme de Smith. Les paramètres S peuvent être exportés au format Touchstone. Vous pouvez également afficher vos résultats sous forme de graphiques d'expressions des quantités physiques que vous définissez librement, ou sous forme de quantités dérivées tabulées obtenues à partir de la simulation.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Ordre de Diffraction en surbrillance et un modèle de réseau hexagonal dans la fenêtre graphique.

Structures périodiques

Les structures périodiques sont fondamentales pour de nombreuses structures électromagnétiques développées pour des applications reliées aux nouveaux matériels 5G, l'imagerie sub-longueur d'onde et les technologies radar avancées. Dans le module RF, vous pouvez modéliser ces structures, y compris leurs modes de diffraction d'ordre élevé, avec des conditions périodiques de Floquet et des ordres de diffraction variables. Ces fonctionnalités permettent de concevoir avec précision des éléments pour les réseaux de réflexion et de transmission, ainsi que pour les surfaces holographiques.

Chaque activité et chaque besoin en matière de simulation sont différents.

Afin d'évaluer pleinement si le logiciel COMSOL Multiphysics® répond ou non à vos exigences, nous vous invitons à nous contacter. En parlant à l'un de nos représentants, vous obtiendrez des recommandations personnalisées et des exemples détaillés qui vous aideront à tirer le meilleur parti de votre évaluation et vous guideront pour choisir les options de licence les plus adaptées à vos besoins.

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