RF モジュールの集中ポートに関するガイド

2019年 4月 12日

横電磁 (TEM) モードが予想される場所で, 特定のインピーダンス値を持つ RF デバイスを励起または終端する場合, 集中ポート機能が役立ちます. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアのアドオンである RF モジュールで利用可能な集中ポート機能は, さまざまなバリエーションとアプリケーション領域を持つ境界条件です. ここでそれらのいくつかを見てみましょう.

集中ポートの簡単な紹介

集中ポートは, 受動回路とアンテナを励起, 終端するため, また S パラメーターに関するインピーダンス整合や挿入損失などのデバイスの周波数応答を計算するために使用されます.

集中ポートを使用しているときに物理的に有効な S パラメーターを取得するには, いくつかの条件があります. S パラメーターを生成するには, 励起された集中ポートが1つ必要です. 従来の S パラメーターの定義は, 実際の特性インピーダンスでのみ機能します. 複雑なポート基準インピーダンスが使用されている場合, 計算された S パラメーターは物理的ではありません. たとえば, UHF RFID タグ の場合, デバイスのマッチング特性を評価するために, 電力波の反射係数の項を調べる必要があります.

集中ポートとポート境界条件は波動電磁気の問題に適していますが, ここでは, RF モジュールアプリケーションライブラリのいくつかの例を通じて, 各ポートタイプに集中ポートを適用することに焦点を当てます.

 

ビームスキャン機能を示すモノポールアンテナアレイ. このモデルは, 算術相変化を伴う複数の集中ポート励起を使用します. フェーズドアレイアンテナアプリケーションの場合, 各集中ポートで位相が進行する複数の集中ポートを励起することができます.

 

集中ポート機能は, モデルのごく一部に適用できます. 集中ポート境界のサイズは, 動作波長に対して十分に小さいものです. したがって, 小さな領域での位相変動は無視できると想定されます. この機能の使用は, TEMモードをサポートする2つの金属 (導体) 境界間のギャップ表面に制限されます.

集中ポートは, 幾何学的形状によって分類されます:

  • 一様
  • 同軸
  • 多要素一様
  • ユーザー定義

いくつかの例を見てみましょう…

一様集中ポート

一様集中ポートを使用して, 小さな長方形の境界を介してデバイスを励起または終端します. RF モジュールアプリケーションライブラリのいくつかの例は, このタイプの集中ポートの使用法を示しています.

ストリップアンテナ

誘電体板に印刷されたストリップアンテナを励起して, 入力インピーダンスと S パラメーターを測定したり, 遠方場機能を使用して放射パターンを計算したりする場合は, 2つの導電性ストリップ間のギャップにある集中ポートを使用します.

COMSOL Multiphysics® でモデル化された UHF RFID タグの画像.

RFID タグモデルで集中ポートの境界を選択する方法を示す概略図.

左: UHF RFID タグモデル. 右: 印刷された金属ストリップの中央にある均一な集中ポートの境界選択.

マイクロストリップ回路

マイクロストリップライン回路を励起して終端して S パラメーターを計算する場合, マイクロストリップラインの端と底面の接地面間のギャップに集中ポートを追加できます. マイクロストリップライン周辺の干渉場は無視されます. 干渉場の計算が重要な場合は, TEM オプションで数値ポートを使用できます.

結合線フィルターモデルの画像.

結合線フィルターモデルの境界選択の概略図.

左: 結合線フィルターモデル. 右: マイクロストリップラインフィルターの端にある一様集中ポートの境界選択.

スロットアンテナ

誘電体基板上にパターン化されたスロットアンテナを励起して入力インピーダンスと S パラメーターを計算し, 遠方場機能を使用して放射特性を調べる場合, 導電性平面の2つのエッジを接続するスロット全体に集中ポートを割り当てることができます.

スパイラルスロットアンテナモデルの図.

スロット全体の一様集中ポートの境界選択の図.

左: スパイラルスロットアンテナモデル. 右: スロット全体の一様集中ポートの境界選択.

マイクロストリップパッチアンテナ

マイクロストリップラインから給電されるマイクロストリップパッチアンテナを励起して, 入力インピーダンスと S パラメーターを計算したり, 遠方場機能を使用して放射パターンを計算したりするには, マイクロストリップラインと底面の接地面に集中ポートを適用します.

マイクロストリップラインパッチアンテナモデルの画像.

集中ポートの境界選択が強調表示されたマイクロストリップラインの概略図.

左: マイクロストリップラインパッチアンテナモデル. 右: マイクロストリップラインの端にある一様集中ポートの境界選択.

同軸集中ポート

同軸タイプの集中ポートは, SMA やエッジローンチコネクターなどの同軸ケーブルや同軸コネクターのアドレス指定に適しています.

SMA コネクター

S パラメーターと入力インピーダンスを計算するために同軸コネクターを励起および終端する場合は, SMA コネクターの中心導体と外部導体の間の環状境界に集中ポートを割り当てます.

ブランチカップラーモデルの画像.

SMA コネクターの集中ポートの境界選択の概略図.

左: ブランチラインカップラーモデル. 右: SMA コネクターの同軸集中ポートの境界選択.

同軸ケーブル

同軸ケーブルの端は, S パラメーターと入力インピーダンスを計算するための同軸集中ポートで仕上げることができます. SMA コネクターの場合と同様に, ケーブルの中心導体と外部導体の間の環状境界に集中ポートを使用できます.

同軸ローパスケーブルフィルターモデルの画像.

同軸集中ポートの境界選択の 2D 回路図.

左: 同軸ローパスケーブルフィルターモデル. 右: 2D 軸対称モデルでの同軸集中ポートの境界選択.

多要素均一集中ポート

コプラナー導波路 (CPW) の励起と終端, または2つの並列マイクロストリップラインのコモンモードまたはディファレンシャルモードに対処するには, 多要素一様タイプを使用します.

コプラナー導波路

コプラナー導波路 (CPW) が単一の集中ポート境界を使用して励起または終端される場合, 中心導体を囲む接地面または共通接地面間に導電性空気ブリッジが必要です. 多要素一様集中ポートを選択することにより, この追加のモデリング作業をバイパスできます. このポートは, 均一要素と呼ばれるサブ機能のペアを使用して CPW モデルを構成します. 各均一要素は, 中心導体の左側と右側の隣のスロットにそれぞれ割り当てられます. 電力が両方のスロットに均等に分配されている場合にのみ有効です.

コプレーナ導波管バンドパスフィルターモデルの画像.

多要素一様集中ポートの境界選択を示す画像.

左: CPW バンドパスフィルターモデル. 右: 多要素一様集中ポートの境界選択.

ユーザー定義の集中ポート

集中ポート境界の形状を同軸, 多要素一様, または一様集中ポートで定義できない場合は, 集中ポート境界の高さと幅が一定で, 偏波が確定していれば, ユーザー定義タイプを使用することができます.

湾曲した境界での励起と終端

集中ポートを円筒構造に割り当てるには, 導電性境界の間にある円周方向境界のセットを選択する必要があります. 集中ポートは, 導電性の円筒構造の小さなセグメント, または信号パス (マイクロストリップライン) と底面の接地面間の金属化されたビアに適用できます.

ダイポールアンテナモデルの画像.

モデルジオメトリ内のユーザー定義の集中ポートを示す概略図.

左: ダイポールアンテナモデル. 右: 円筒構造の中央にあるユーザー定義の集中ポートの境界選択.

集中定数機能を備えた集中ポートを再現

集中定数機能は, 特定のデバイスタイプの回線とアンテナを終端するために使用できる受動集中ポート境界条件です. この機能は, 回路またはアンテナをソースとして励起するためのものではありません.

集中定数機能を使用して, コンデンサー, インダクター, 一般的なインピーダンス, または2つの導電性境界間のリアクティブデバイスの単純な組み合わせの挿入を記述することができます. シングルポート励起で集中ポートを使用すると S パラメーターが計算されますが, この機能では S パラメーターは生成されません. 集中定数機能は, 集中ポート機能と同じ幾何学的形状をサポートし, ユーザー定義のインピーダンス値, コンデンサー, インダクター, 直列 LC (インダクターとコンデンサーの組み合わせ), 並列 LC, 直列 RLC (抵抗-インダクターとコンデンサーの組み合わせ), または並列 RLC 回路.

抵抗器

マイクロストリップ線路の途中に抵抗などの表面実装デバイスを追加することができます. 2つの導電性エッジを結ぶギャップには, インピーダンス値が指定された集中定数素子を使用します.

ウィルキンソン電力分配器モデルの画像.

境界選択が強調表示された一様抵抗集中定数素子の概略図.

左: ウィルキンソン電力分配器モデル. 右: 一様抵抗集中定数素子の境界選択.

コンデンサーとインダクター

コンデンサーやインダクターなどの反応性表面実装デバイスは, 低周波 RF フィルターを構築するために使用されます. 適切な集中定数デバイスタイプを選択し, 2つのマイクロストリップラインの端の間の境界に集中定数を割り当てます.

集中定数フィルターモデルの画像.

境界の選択が強調表示された一様なコンデンサ集中定数素子の概略図.

左: 集中定数フィルターモデル. 右: 一様コンデンサー集中定数素子の境界選択.

次のステップ

RF およびマイクロ波モデリングで利用できるより専門的な機能について学びます.

集中ポート機能は, このブログで言及されている例に限定されません. アプリケーションギャラリには, わかりやすいステップバイステップの手順が記載された便利なRF チュートリアルモデルが多数あります.

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