RF モジュールパーツライブラリ: RF デバイスをモデル化するためのより簡単な方法

2019年 3月 28日

実験室でネットワークアナライザーを使って回路の S パラメーターを測定する際, 測定器やケーブルがなくても回路の純粋な特性を抽出するために校正が行われます. しかし, 校正では, 回路にコネクターを取り付けたケーブルの端から端までを考慮しますが, シミュレーションモデルでは, 計算を単純かつ高速にするためにコネクターを除外します. シミュレーションモデルの設定のように, コネクターを排除して回路の応答のみを調べたいとします. しかし, どのように?

現実に近いほど, 数値解析の信頼性が高くなります

上記の例で説明したラボの測定値を正確に説明するには, シミュレーションモデルにコネクターを含める必要があります. マルチポートデバイスをモデル化するたびに, そのタイプのジオメトリを構築するのは面倒です. 代わりに, デバイス設計者やテストエンジニアの間で一般的に使用されている事前定義されたジオメトリを使用すれば, この障壁を簡単に克服することができます.

COMSOL Multiphysics® ソフトウェアのアドオンである RF モジュールには, 多数の標準部品と形状で構成される部品ライブラリなど, 高周波電磁気シミュレーション用の特殊な機能が含まれています. 各パーツには制御可能なパラメーターがあるため, 幾何学的構成と事前定義された選択を変更できます. これらを利用して, 物理設定, 材料特性, ソルバー設定, およびポスト処理操作を更新できます.

RF モデリングで頻繁に使用されるジオメトリには次のものがあります.

  • さまざまなタイプのコネクター
  • 表面実装デバイス
  • 導波路

SMA コネクターが表示された RF モジュールパーツライブラリのスクリーンショット.

ジオメトリにパーツを追加するときのパーツライブラリウィンドウ.

SMA コネクターの形状に追加されたいくつかの部品.

ジオメトリノードに追加した後のパーツの様子. エッジ起動コネクター, 2穴フランジ SMA コネクター, PCB マウント SMA コネクター, 90度に曲げられた WR 28 矩形導波路.

これらの部品は, 部分的にパラメーター化された複雑な形状で, 回路やアンテナのシミュレーションに有効です. 各パーツにあらかじめ定義された選択項目 (境界のグループ) は, 特に導電性または損失の大きい金属境界の物理的な設定に役立ちます. これらのパーツを使用する利点は, ジオメトリを一から作成する必要がないため, 時間を大幅に短縮できることです.

それでは, 2つの例を見ていきましょう…

SMA コネクターを使用したテストデバイスと測定機器のブリッジ

SMA コネクターは, 同軸ケーブルとプリント回路基板 (PCB) 間の移行として非常にうまく機能します. これらは, マイクロ波アプリケーションでRF 信号を測定するときに実験室で広く使用されています.

RF パーツライブラリには, 3種類の SMA コネクターがあります. 各パーツのパラメーター化された部分により, 設計仕様を満たすように形状とサイズを編集できます.

パーツライブラリから読み込んだ SMA コネクターの設定値.

パーツライブラリからインポートした後の4穴フランジ SMA コネクターの設定ウィンドウ. パラメーターを変更するだけで, ジオメトリとは異なる形状を作成することができます.

SMA コネクターの機種の違い.

入力パラメーターが異なるさまざまな4穴 SMA コネクター.

パーツジオメトリの初期位置と方向は, デバイスの任意の設計に使用する準備ができていません. 代わりに, これらのパラメーターはパーツの設定ウィンドウで簡単に調整でき, デバイスにすばやく展開できます.

いくつかのアプリケーションライブラリの例では, RF モジュールパーツライブラリの SMA コネクターを使用しており, シミュレーション用のモデルを設定する際の利便性が向上しています. (これらの例へのアプリケーションギャラリーのリンクは, この投稿の最後にリストされています.)

分岐線カプラのモデルは, ジオメトリーパーツを使用します.

ジオメトリ部品から作成したウィルキンソンパワーデバイダーのモデル.

左: ブランチラインカップラーの2穴フランジ SMA コネクター. 右: ウィルキンソン電力分配器の4穴フランジ SMA コネクター.

エッジローンチコネクターを備えたミリ波デバイスにおける不要損失の抑制

従来の SMA コネクターでは, 動作周波数がミリ波範囲に近い場合, 放射, 挿入損失, およびインピーダンス不整合の問題に悩まされます. はんだ不要のプッシュオンタイプのコネクターを使用することで, これらの欠点を克服することができます.

エッジローンチコネクターの特別な設計メカニズムにより, その展開は5G や衛星通信 (SatCom) などのミリ波アプリケーションに最適です.

RF モジュール部品ライブラリで利用可能なエッジローンチコネクター.

RF モジュールパーツライブラリのさまざまなエッジローンチコネクター. それらは, 最高の適用頻度と機械的プロファイルによって特徴付けられます.

GCPW のエッジローンチコネクターの模型.

接地されたコプラナー導波管 (GCPW) のエッジローンチコネクター. dB スケールの電場ノルムと電力流れの矢印は, 位相値に応じた色の変化でプロットされます.

GCPW のエッジローンチコネクターの写真.

設計検証用の GCPW テストボードのエッジローンチコネクター.

パーツライブラリのエッジローンチコネクターは信号マイクロ波によって提供され, 機械的な複雑さを与え, 電磁シミュレーションに寄与しないネジパーツを除外するように設計が変更されています. これらは市販の製品であるため, 形状はパラメーター化されていません.

次のステップ

RF モジュールパーツライブラリを利用することで, 同一のジオメトリシーケンスを繰り返し設定するなど, 計算モデリング中の面倒な設計作業を簡素化できます. これらのパーツを数値モデルで使用し, 他のモジュールで使用されているパーツライブラリを確認して, パーツを作成し, ユーザー定義のパーツライブラリを追加してみてください.

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