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RF モジュールアップデート

RF モジュールのユーザー向けに, COMSOL Multiphysics® バージョン 6.1 では, 静電放電と雷パルスの新機能, ドメインをクリックして導電境界をすばやく定義する機能, およびさまざまなユーティリティ機能の使いやすさの向上が導入されています. RF モジュールのすべての更新については, 以下をご覧ください.

静電放電および雷パルス

静電気放電 (ESD) と雷は, 電子部品に有害な影響を与える可能性があります. したがって, ESD と雷のモデリングは, 多くの業界で非常に重要です. 電磁波 (過渡) インターフェースの集中ポートとエッジ電流機能の両方が, ESD と雷を記述するためによく使用される, 定義済みおよびパラメーター化された時間パルス関数をサポートするようになりました. 解析の便宜上, シミュレーションを実行する前にパルス形状を即座にプロットして, 選択した関数パラメーターが適切であることを確認できます.

A human finger model and a circuit board model with streamlines in the Rainbow color table.
静電放電が回路基板に及ぼす影響の可視化. 過渡集中ポート機能の拡張された人体モデルは, 短時間の複数の電流サージを表します.

電磁波 (境界要素) インターフェースの集中ポート機能

集中ポート機能は, 電磁波 (周波数領域) インターフェースを使用する場合に, アンテナ, 伝送線路, およびその他のデバイスを励起および終端するために広く使用されています. この機能は, 電磁波 (境界要素) インターフェースで利用できるようになり, 同軸, ユーザー定義, ビア, および一様集中ポートタイプが含まれています.

A dipole antenna array shown in mostly orange, yellow, and red, with waves visualized around the middle.
15x2 半波長ダイポールアンテナアレイの電場および遠方場ゲインパターンの支配的な偏波 x 成分. 各アンテナ要素は, ユーザー定義の集中ポートタイプで励起されます.

電磁波 (境界要素) インターフェースにおける誘電散乱体

電磁波と誘電物体との相互作用が, 関連する遠方場散乱特性の計算を含む境界要素法でサポートされるようになりました. この新しい機能は, 電磁波 (境界要素) インターフェースで利用できます. 各誘電散乱体ドメインに波動方程式 (電気) ノードを追加する必要があります. さらに, 遠方場計算ノードを追加して, 放射パターンなどの遠方場の量を評価できます.

積層インピーダンス境界条件

新しい機能により, 金属表面の薄い誘電体コーティングなど, 表皮深さが小さい基板上の複数の薄い層をモデル化できます. このような薄層は, 電磁波 (周波数領域) インターフェースで利用可能な積層インピーダンス境界条件機能を使用して記述できます. グローバル材料ノードの積層材料と材料ノードの積層材料リンクを組み合わせる必要があります.

2D 軸対称の直線偏光平面波背景場

任意の偏光と入射角を持つ直線偏光平面波背景場タイプが 2D 軸対称で使用できるようになり, 展開方法が使用されます. 平面波励起下での回転体の散乱をモデル化するのに適しています. 同じ問題を 3D でモデル化する場合と比較すると, 2D 軸対称モデルは, 特に電気的に大きな散乱体の場合に使用するメモリと時間が大幅に少なくなり, より高密度のメッシュを使用して精度を向上させることが容易になります. 2D 軸対称で直線偏光平面波背景場を使用すると, 方位角モード番号の補助スイープが自動的に追加されます. 完全な解を構築するには, ポスト処理で各方位角モードからの寄与を合計する必要があります. この機能は, Cloaking of a Cylindrical Scatterer with Graphene (RF) チュートリアルモデルを使用した円筒形散乱体の新しいクローキングで実証されています.

計算前の解析ポートモード場の表示

矩形, 円形, および同軸ポートタイプのモード場は, 解析関数によって記述されます. このバージョンでは, シミュレーションを実行する前に, ポート境界が主軸に平行であるという条件で, これらのポートモードタイプをプレビューできます.

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with the Port condition selected, the corresponding Settings window, a Graphics window with an H-bend model, and a Port Tangential Mode Field window showing a mode field in the Rainbow color table.
矩形 TE10 モードのポート設定と場. プロットボタンは, モードタイプコンボボックスの横にあります.

導電ドメイン割当のよりよいユーザー体験

ドメインが導電性の高い材料で満たされている場合, 通常は明示的にモデル化する必要はありません. むしろ, それらの境界をモデル化する必要があります. 完全電気伝導体 (無損失) およびインピーダンス境界条件 (損失) 境界条件は, 導電性ドメインの境界に適用でき, ドメインの内部は除去されます. 導電性ドメインに多くの境界が含まれている場合, 境界条件をすべての境界に個別に適用するのは面倒なことがよくあります. バージョン 6.1 では, 新しい完全電気伝導体とインピーダンス境界条件のドメイン条件を導電性ドメインに直接適用できます. すべての境界を特定したり, 手動で内部を削除したりする必要はありません. 導電性ドメインの機能は, 次のモデルで利用できます:

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with the Perfect Electric Conductor feature selected, the corresponding settings, and the Graphics window showing a car geometry.
ケーブルハーネスとボックスの導電性外面は, 完全電気伝導体機能を使用してボリュームドメインを選択することによって指定されます.

表皮厚計算機

新しい表皮厚計算機機能を使用して表皮厚を計算できます. 表皮厚は, 材料の導電率または抵抗率によって定義できます. これは, 特定の境界条件の適用が適切かどうかを判断するのに役立ちます. 表皮厚計算機は, インピーダンス境界条件, 遷移境界条件, 積層インピーダンス境界条件, および積層遷移境界条件機能の設定で使用できます. 表皮厚計算機機能は, 次のモデルで紹介されています:

便利な新しい対称面機能

対称面機能は, 完全電気伝導体 (PEC) および完全磁気伝導体 (PMC) 対称面の定義を簡素化します. この機能は, 対称性を考慮してモデルサイズを縮小する際に, 完全な電気伝導体と完全な磁気伝導体の境界条件の代わりに使用されます. さらに, 対称面機能のタイプと位置に関する情報は, 遠距離場を計算するとき, および解析ポートモード場と集中ポートインピーダンスを定義するときに使用されます. この新機能は, 既存の Microwave Oven モデルで確認できます.

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with the Symmetry Plane node selected, the corresponding Settings window, and the Graphics window showing the Microwave Oven model.
電子レンジチュートリアルモデルでの対称面ノードの使用と計算された電場および熱分布.

アンテナアレイパフォーマンスのアレイファクターデータセット

仮想アンテナアレイの可視化は, アレイファクター関数と単一アンテナの遠方場を組み合わせることで実現できます. このプロセスには長い式が必要になることがよくありますが, 新しいアレイファクターデータセットを使用すると簡単に使用できるようになりました. 配列関数へのすべての入力引数は, 配列係数データセットに直感的に追加できます. データセットがアレイ―ファクターに設定されているときに単純な単一アンテナの遠方場またはゲイン式が放射パターンプロットで使用されると, 式とアレイファクター関数が自動的に結合され, 仮想アレイ放射パターンが生成されます. この機能は, 既存の Microstrip Patch Antenna および Modeling of a Phased Array Antenna で表示できます.

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with the Array Factor dataset selected, the corresponding settings, and the Graphics window showing a comparison plot for the array gain.
アレイファクターデータセットには, アレイのサイズ, ビームステアリングの位相シフト, 波長に関するアレイ要素間の変位または間隔, および単一アンテナの遠方場表現に適用される関数が必要です.

遠方場計算境界上の高速メッシュ細分化

電磁波 (周波数領域) インターフェースのフィジックス制御メッシュ設定には, 遠方場境界層を追加するチェックボックスが用意されています. 選択すると, デフォルトの最大メッシュサイズの 1/40 の厚さの境界層メッシュが, 散乱境界条件または PML の選択に隣接する遠方場計算境界に作成されます. これにより, 総放射電力 (emw.TRP) やレーダー断面積 (RCS) (emw.bRCS3D) など, より正確な遠方場解析結果を得ることができます.

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with a mesh selected, the corresponding settings, a Graphics window showing a boundary layer mesh, and a second Graphics window showing only a portion of the mesh.
境界層メッシュ (濃い赤) は, 遠方界境界層を追加オプションがオンになっている場合, PNL と遠方場ドメイン間の共通境界上に生成されます.

4ポートネットワーク

電磁波 (周波数領域) インターフェースに, S パラメーターを使用して4ポートネットワーク部品の応答を特徴付ける4ポートネットワーク境界条件が含まれるようになりました. タッチストーンファイルをインポートして, 複雑なジオメトリに対処することなく, 4ポートのデバイスまたはシステムの物理的な動作と応答を4ポートの境界を介して記述することができます.

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with the Four-Port Network boundary condition selected, the corresponding Settings window, and the Graphics window showing a four-port device.
複雑な4ポートデバイスは, 単純な4ポートネットワーク機能に縮小することができます. この場合, デバイスはタッチストーンファイルのインポートで特徴付けられます.

有限要素 (FEM)–境界要素 (BEM) マルチフィジックスカップリング

新しい FEM–BEM カップリング機能により, 電磁波のハイブリッド FEM–BEM モデルの設定が簡素化されます. これは, モデルウィザードで電磁波 (FEM-BEM) マルチフィジックスインターフェースとして利用できます. これは, 電磁波 (周波数領域) および電磁波 (境界要素) インターフェースを新しい電場連成マルチフィジックスカップリング機能と組み合わせたものです.

上流流束定式化

電磁波 (陽的時間発展) インターフェースの波動方程式ノードの流束タイプパラメーターには, 上流流束オプションも含まれるようになりました. このオプションを使用すると, デフォルトの Lax-Friedrichs フラックスパラメーターを使用した場合に発生する可能性がある, 完全電気伝導体 (PEC) エッジ周辺の過散逸が原因で精度が低くなる可能性がある S パラメーター計算を改善できます.

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with the Wave Equations node selected, the corresponding settings, and two plots in the Graphics window.
波動方程式ノードの設定ウィンドウ. 流束タイプパラメーターの新しい上流流束オプションが表示されています. 上流流束定式化 (プロット1) は, 鋭い PEC エッジの周りの過散逸 (プロット2) を抑制するのに役立ちます.

弱定式ポートオプション

ポート境界で電場を展開する場合, 新しい弱ポート定式化は, 展開係数 (S パラメーター) のスカラー従属変数を追加し, 弱表現のみを使用して境界上の S パラメーターと接線電場を解きます. 拘束条件が使用されていないため, この定式化では解を求める際に拘束除去のステップが完全に削除され, より効率的な計算が可能になります. この新しいポートの定式化は, バージョン 6.0 で導入された拘束のないポートの定式化に取って代わります.

この新しいポートの定式化は, 下記のモデルのような, ポートを使ったほぼ全てのチュートリアルモデルで確認できます:

2D 軸対称の共変定式化

2D 軸対称定式化では, 面外従属変数を次のように定式化すると有益です.

,

これは共変定式化と呼ばれています. ここで, Ψ は従属変数で は径座標です. 面外電場成分は

で計算されます. 共変定式化は, 数値安定性と精度の点で優れたパフォーマンスを発揮します. 以前のバージョンと比較して, 固有振動数シミュレーションはより少ない固有振動数を返すことができます. 解の精度は高くなり, 非物理解は少なくなります.

この定式化は, モード解析と境界モード解析を除くすべてのスタディタイプで使用され, 次のモデルで表示できます:

アダプティブ周波数スイープのパフォーマンス改善

アダプティブ周波数スイープスタディステップは, 場の出力がドメインや境界などの選択に対してのみ保存される解析用に最適化されています. これは, たとえばフィルターアプリケーションのポートに役立ちます. このようなスイープのパフォーマンスは最大 25% 向上します. 非常に高解像度の結果が要求されるアプリケーションでは, パフォーマンスの向上はさらに大きくなります. 次のモデルは, この新しい改善を示しています:

A 1D plot with frequency on the x-axis and S-parameter on the y-axis.
通常のスイープと, RF モジュールアプリケーションライブラリから入手可能な, 導波管アイリスフィルターモデルのアダプティブ周波数スイープからの高解像度出力との S パラメーターの比較.

新しいチュートリアルモデル

COMSOL Multiphysics® バージョン 6.1 ではいくつかの新しいチュートリアルモデルが RF モジュールに追加されました.