COMSOL Multiphysics® 5.3

Release Highlights

RF Module Updates

RF Module 사용자들을 위하여 COMSOL Multiphysics® 5.3버전에서는 일반적인 RF장치들에 대한 Part Library와 Lumped Element기능 향상, 시간해석에 대한 S파라미터 해석기능 등을 추가적으로 제공합니다. RF Module에 대한 자세한 사항은 하단의 항목들을 참고하여 주십시오.

New RF Part Library

5.3버전의 RF Module에서는 일반적인 RF장치나 부품들에 대한 Part Library를 제공합니다. 각각의 Part들은 사용자가 임의로 형상이나 조건들을 변경하기 위한 변수나 선택조건들을 가지고 있습니다.

RF 파트는 다음의 항목들에 대하여 제공됩니다:

  • 36가지의 사각 도파관(직선 형태나 H형태를 포함한 굽은 도파관 형상)
  • 22가지의 SMD소자를 위한 패턴
  • 3가지의 SMA커넥터 (4 hole형태, 2 hole형태, 수직 마운트형태)

50옴의 마이크로스트립 도선에 연결된 2가지의 SMA커넥터(4 hole형태와 수직마운트형태).

50옴의 마이크로스트립 도선에 연결된 2가지의 SMA커넥터(4 hole형태와 수직마운트형태).


Enhanced Lumped Element Feature with Extended Options

Lumped Element경계조건의 기능이 향상되었습니다. 5.3버전에서는 단일 집중소자(인덕터(L)나 커패시터(C), 저항(R), 복소 임피던스(Z))뿐만 아니라 series LC나 parallel LC, series RLC, parallel RLC와 같은 복합소자 성분들에 대해서도 설정 할 수 있습니다.

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Application Library path for an example using the new lumped element options:

RF_Module/Filters/lumped_element_filter

Advanced Two-Port Network Modeling with Touchstone File Import

Touchstone파일은 S파라미터를 이용하여 n포트 네트워크 회로의 주파수 응답을 나타납니다. 수치해석이나 네트워크 분석기 측정을 통하여 얻어진 Touchstone파일은 실제 복잡한 회로를 만들지 않고, Two-Port Network경계조건을 이용하여 COMSOL Multiphysics®해석 모델에 포함할 수 있습니다. 이것은 Two-Port Network설정창에서 Type of S-parameter definition를 Touchstone file으로 선택하면 불러올 수 있습니다.

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Application Library path for an example using the Touchstone file import feature:

RF_Module/Filters/two_port_network_touchstone

Surface Magnetic Current Density


새로운 Surface Magnetic Current Density경계조건이 Electromagnetic waves, Frequency Domain지배식에 추가되어 내·외부 경계면에 표면 자기전류밀도를 정의할 수 있습니다. 이때 자기전류밀도는 3차원 벡터로 정의됩니다. 이것은 표면을 따라 흐르기 때문에, 보다 효율적인 모델링을 위해 사용됩니다. 이를 위해 COMSOL Multiphysics®에서 이 전류밀도는 경계면에 적용되고 수직방향성분은 무시합니다. 이 새로운 경계조건은 전기 쌍극자 모델링과 같은 특별한 모델을 위해 제공됩니다.

Electromagnetic Wave, Frequency Domain지배식의 Surface Magnetic Current Dencity경계조건을 이용하여 원기둥 형태의 코일에 정의된 표면자기 전류밀도(파란색화살표). 전기장 분포(원뿔)는 짧은 다이폴 안테나와 유사합니다.

Electromagnetic Wave, Frequency Domain지배식의 Surface Magnetic Current Dencity경계조건을 이용하여 원기둥 형태의 코일에 정의된 표면자기 전류밀도(파란색화살표). 전기장 분포(원뿔)는 짧은 다이폴 안테나와 유사합니다.


Calculate S-Parameters from Transient Simulations

회로의 주파수에 대한 S파라미터를 이제 시간해석 모델에서도 두 단계의 해석과정을 통하여 계산됩니다. 높은 주파수 해상도를 가진 광대역 주파수응답을 계산하기 위해서는 먼저 시간에 대한 모델을 만들어야 합니다. 그 후, S파라미터를 시간에서 주파수로 변환하는 Fast Fourier Transform(FFT)를 이용하여 계산합니다.

이 결과는 Electromagnetic Waves, Transient지배식에서 Lumped Port를 사용하여 Time Dependent스터디를 사용한 후, Time to Frequency FFT스터디를 사용하여 시간에 대한 결과를 주파수에 대한 결과로 변환하여 얻을 수 있습니다.

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Application Library path for an example calculating S-parameters from transient simulations using a time-to-frequency FFT:

RF_Module/Filters/coaxial_low_pass_filter_transient

Updated Tutorial Model: A Low-Pass Filter Using Lumped Elements

동작 주파수와 집중소자에 대한 삽입손실이 모두 낮을 경우, 집중 소자들을 이용하여 수동소자들을 설계할 수 있습니다. 이 예제는 인덕턴스와 커패시턴스를 설정할 수 있고, 수동적인 점을 제외하고는 Lumped Port와 유사한 두 가지 종류의 집중소자 필터들을 해석하였습니다.

첫 번째, 다섯 개의 요소들을 이용하여 특정주파수에서 차단하는 주파수 응답특성을 계산하기 위해 최대한 균일한 특성을 가진 저역 통과 필터를 만들었습니다. 각 요소들(표면 접합 장치, SMD)의 형상은 2차원 경계면으로 간략화 되었으며, 전기적인 성능은 Electromagnetic Waves, Frequency Domain지배식의 Lumped Element경계조건을 사용하여 설정하였습니다. 그 후, 저역 통과 필터를 대역통과 필터로 변경한 후 동일 주파수 영역에 대하여 해석하였습니다. 두 가지 필터 모델은 S파라미터 결과와 전기장 분포를 출력합니다.

0402표면 접합 소자(SMD)인 인덕터와 캐패시터들은 2차원 경계면에 Lumped element기능을 이용하여 모델링 하였습니다.

0402표면 접합 소자(SMD)인 인덕터와 캐패시터들은 2차원 경계면에 Lumped element기능을 이용하여 모델링 하였습니다.

Application Library path for the low-pass filter using lumped elements tutorial model:

RF_Module/Filters/lumped_element_filter

New Tutorial Model: Anechoic Chamber Absorbing Electromagnetic Waves

무반향실은 안테나 특성이나 전자파 간섭(EMI), 전자파 환경 적합성(EMC)을 측정하기 위해 사용됩니다. 무반향실 내부에는 입사된 전자파를 인근의 흡수체로 이끄는 삼각뿔모양의 구조물이 반복으로 구성된 흡수체가 있습니다. 외부로부터 인가되는 신호를 차단하고 내부의 전자파를 흡수하여 무반향실은 내부의 반사와 원하지 않는 외부의 전자파 간섭이 존재하지 않는 가상의 무한한 공간을 만듭니다.

이 모델은 무반향실 중앙에 EMI/EMC실험에 자주 사용되는 쌍원뿔(biconical)안테나를 해석하였습니다. 계산된 원거리 방사패턴과 S파라미터(S11)는 전자파 흡수체들이 안테나 성능의 왜곡 없이 벽으로부터의 산란을 감쇄시킨다는 것을 나타냅니다.

얇은 도체벽면상에 전자파 흡수체들을 존재하는 작은 방크기(3.9x3.9x3.3 m)의 최신식 무반향실. Contour plot은 ZX평면상의 전기장 분포를 나타내고 있습니다. 전기장은 흡수체 인근에서 급격히 감쇄됩니다.

얇은 도체벽면상에 전자파 흡수체들을 존재하는 작은 방크기(3.9×3.9×3.3 m)의 최신식 무반향실. Contour plot은 ZX평면상의 전기장 분포를 나타내고 있습니다. 전기장은 흡수체 인근에서 급격히 감쇄됩니다.

Application Gallery link for the anechoic chamber tutorial model:

RF_Module/EMI_EMC_Applications/anechoic_chamber

New Tutorial Model: Double-Ridged Horn Antenna

더블 리지드 혼 안테나는 광대역 특성을 가지고 있어서, S밴드에서 Ku밴드까지 영역에서 안테나 특성을 테스트 하기 위해 무반향실에서 자주 사용됩니다. 이 더블 리지드 혼 안테나 모델에서는 전압정제파비(VSWR)과 원거리장 방사패턴, 안테나 지향성을 계산하였습니다.

Lumped Port는 동축 커넥터 끝단의 내/외부 도체면 사이 경계면에 설정되었습니다. 공기 최외각면에는 실제 무반향실에 있는 것과 같이 안테나에서 방사되는 모든 성분을 흡수하는 완전 정합층(PML)을 설정하였습니다. 메시는 Electromagnetic Waves, Frequency Domain지배식에서 해석하는 주파수에 의해 조절됩니다.

동축 포트에 의해 신호가 공급된 더블 리지드 혼 안테나. 이 그림은 3차원 원거리장 방사패턴(열에 대한 색 결과)과 전기장 방향(화살표), 안테나에서 전기장 세기(무지개 색)를 보여 줍니다.

동축 포트에 의해 신호가 공급된 더블 리지드 혼 안테나. 이 그림은 3차원 원거리장 방사패턴(열에 대한 색 결과)과 전기장 방향(화살표), 안테나에서 전기장 세기(무지개 색)를 보여 줍니다.

Application Library path for the double-ridged horn antenna tutorial model:

RF_Module/Antennas/double_ridged_horn_antenna

New Tutorial Model: Fast Modeling of a Transmission Line Low-Pass Filter.

필터를 설계하는 방법 중 한가지는 균일(flat)하거나 리플이 동일한(Equal-ripple) 저역통과 필터와 같이 잘 알려진 필터의 치수를 사용하는 것입니다. 이 방법은 필터의 주파수응답에 맞는 규격품의 커패시터나 인덕터들을 찾기 어려우므로, 집중 소자필터보다 분포소자 필터로 만드는 것이 더 손쉽습니다.

이 예제모델은 Richard 변환과 Kuroda 정의, Transmission Line지배식을 사용하여 분포소자 필터를 만드는 과정을 보여줍니다. 이 방법은 3차원 Maxwell방정식을 해석하는 것 보다 빠릅니다. 모델은 차단 주파수가 4GHz이고 세가지 성분으로 구성된 0.5dB 등-리플(Equal-ripple)저역 통과필터를 해석하였습니다. S파라미터 결과를 통하여 높은 주파수 영역에서도 주기적인 특성을 가지는 저역통과 주파수 응답을 확인 할 수 있습니다.

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Application Library path for the Fast Modeling of a Transmission Line Low-Pass Filter tutorial model:

RF_Module/Filters/transmission_line_lpf

New Tutorial Model: Fast Modeling of a Transmission Line Wilkinson Power Divider

일반적인 파워 분배기들은 저항성 파워 분배기거나 T접합 파워 분배기입니다. 이러한 분배기들은 손실성을 가지거나 모든 포트들에서 임피던스가 정합되지 않습니다. 게다가 두 연결된 포트들 사이의 독립성이 보장되지도 않습니다. Wilkinson 파워 분배기는 무손실 T접합 분배기와 저항성 분배기보다 성능이 뛰어나며, 앞서 언급한 문제들을 가지고 있지 않습니다.

이 예제는 Wilkinson 파워 분배기를 2차원 Transmission Line지배식을 이용하여 해석하였습니다. 이 방법은 3차원 Maxwell방정식을 해석하는 것보다 빠릅니다. 결과로 1GHz에서 5GHz영역에 대한 S파라미터 결과와 전송선로 상의 전압 분포를 확인 할 수 있습니다.

Port1에서 인가된 전압은 포트2와 포트3사이에 균일하게 분배됩니다(-3dB).

Port1에서 인가된 전압은 포트2와 포트3사이에 균일하게 분배됩니다(-3dB).

Application Library path for the Wilkinson power divider tutorial model:

RF_Module/Couplers_and_Power_Dividers/transmission_line_wpd

New Tutorial Model: Fast Prototyping of a Butler Matrix Beamforming Network

Butler행렬은 수동적인 빔형성 공급 회로입니다. 이것은 회로가 마이크로스트립 선로 형태로 구성되어 지므로 위상 배열안테나를 위한 공급 회로로 비용 효율이 높고, 비싼 액티브 소자를 사용하지 않고도 빔을 주사할 수 있는 방법입니다.

이 예제는 Transmission Line지배식을 이용하여 이런 회로를 설계하는 방법을 보여줍니다. 결과로 30GHz에 대한 빔형성 회로인 Butler행렬상의 로그 전압 분포와 각 출력 포트들의 위상 변화를 확인할 수 있습니다.

Port 5Port 6Port 7Port 8Phase Progression
Port 1 excited-90°-135°-180°135°-45°
Port 2 excited-180°-45°90°-135°+135°
Port 3 excited-135°90°-45°-180°-135°
Port 4 excited135°-180°-135°-90°+45°
Butler행렬 빔 형성 회로가 연결된 4x1마이크로스트립 패치 배열 안테나의 3차원 원거리장 방사패턴. 이 그림들은 위상 변화에 따라 나열되었습니다. 이 예제에서 안테나 모델은 포함되어 있지 않습니다.

Butler행렬 빔 형성 회로가 연결된 4×1마이크로스트립 패치 배열 안테나의 3차원 원거리장 방사패턴. 이 그림들은 위상 변화에 따라 나열되었습니다. 이 예제에서 안테나 모델은 포함되어 있지 않습니다.

Application Library path for the Butler matrix beamforming network tutorial model:

RF_Module/Couplers_and_Power_Dividers/transmission_line_butler

New Tutorial Model: Time-to-Frequency Fast Fourier Transform of a Coaxial Low-Pass Filter

이 예제에서는 저역통과 특성을 가지기 위해, 공기로 채워진 동축케이블의 외부 도체부분에 5개의 고리모양의 링을 부착하였습니다. 이 모델에서는 2차원 축대칭 차원을 이용하여 상대적으로 광대역인 동축 저역통과 필터를 해석하였습니다. 좋은 주파수 해상도를 가진 광대역 주파수 응답을 얻기 위해 이모델에서는 먼저 시간에 대하여 해석한 다음, S파라미터를 얻기 위하여 time-to-frequency FFT스터디를 사용하였습니다. 계산된 S파라미터 결과들은 24.5GHz에서 차단되는 저역통과 주파수 응답을 보여 줍니다.

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10GHz에서 전기장 세기 분포에 대한 contour plot과 시간 평균 파워 흐름에 대한 arrow plot을 보여주고 있습니다.

10GHz에서 전기장 세기 분포에 대한 contour plot과 시간 평균 파워 흐름에 대한 arrow plot을 보여주고 있습니다.

Application Library path for the FFT of a coaxial low-pass filter tutorial model:

RF_Module/Filters/coaxial_low_pass_filter_transient

New Tutorial Model: Filter Characterized by Imported S-Parameters via a Touchstone File

Touchstone파일은 S파라미터를 이용하여 n포트 네트워크 회로의 주파수 응답을 나타냅니다. 이것은 임의의 복잡한 회로를 간단화 하기 위해 사용할 수 있습니다. Touchstone파일은 수치해석이나 네트워크 분석기 측정을 통하여 얻을 수 있습니다. 두 개의 포트를 가진 네트워크에 대한 Touchstone파일은 복잡한 회로를 구성하지 않고 해석상에 고려할 수 있습니다.

이 예제에서 두 개의 동축 커넥터 사이의 저역통과 필터를 Touchstone파일을 이용하여 불러온 S파라미터와 Two-Port network기능을 이용하여 모델링 하였습니다.

파란 사각형안의 회로 형상은 모델에 포함되어 있지 않지만, Touchstone파일을 이용하여 특성이 반영되었습니다.

파란 사각형안의 회로 형상은 모델에 포함되어 있지 않지만, Touchstone파일을 이용하여 특성이 반영되었습니다.

Application Library path for the S-parameter via Touchstone file import tutorial model:

RF_Module/Filters/two_port_network_touchstone

New Tutorial Model: High-Speed Interconnect Tuning by Time-Domain Reflectometry

신호 무결성(SI)분야에서 시간에 대한 반사량(TDR) 측정은 반사된 신호의 세기를 확인하여 신호 경로의 독립성을 알아보기 위한 좋은 방법입니다. 만약 외부 잡음이나 혼선, 의도치 않은 연결성이 없다면 임피던스 부정합에 의해 반사된 신호는 인가된 펄스를 왜곡시킵니다.

이 예제에서 빠른 상승시간을 가진 연속적인 계단 함수 신호가 금속 비아홀을 통하여 레이어들이 연결된 마이크로 스트립선로에 인가됩니다. 신호 경로의 불연속성이 확인 되었고, 회로는 TDR 임피던스 계산을 기반으로 낮은 왜곡을 위해 조절되었습니다.

각 유전체층이 20 mil두께의 마이크로파 기판으로 구성된 다층 기판상의 마이크로스트립 선로. 두 유전체층 사이에 비아부분을 제외하고 접지면이 존재합니다. 상·하단면의 마이크로스트립 선로들은 금속 비아홀을 통하여 연결되어 있습니다. 유전체 상단 면과 접지면은 화면상에서 보이지 않게 설정되어 있습니다.

각 유전체층이 20 mil두께의 마이크로파 기판으로 구성된 다층 기판상의 마이크로스트립 선로. 두 유전체층 사이에 비아부분을 제외하고 접지면이 존재합니다. 상·하단면의 마이크로스트립 선로들은 금속 비아홀을 통하여 연결되어 있습니다. 유전체 상단 면과 접지면은 화면상에서 보이지 않게 설정되어 있습니다.

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Application Library path for the time-domain reflectometry tutorial model:

RF_Module/EMI_EMC_Applications/high_speed_interconnect_tdr

New Far-Field Postprocessing Variables

원거리장 방사패턴 계산과 관련하여 추가적인 후처리 변수들이 추가되었습니다. 이전 버전의 이득(gain) 변수가 입력 임피던스의 부정합에 의해 이득과 실현이득으로 명확해 졌습니다. 이러한 후처리 변수들은 안테나 특성을 출력하기 위해 far-field plot에서 사용됩니다.

  • EIRP와 EIRPdB: 유효 등방성 방사 파워와 dB값
  • gainEfar와 gaindBEfar: 입력 부정합을 제외한 이득과 dB값
  • rGainEfar and rGaindBEfar: 입력 부정합을 포함한 실현 이득과 dB값

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Application Library path for the new far-field postprocessing variable:

RF_Module/Antennas/double_ridged_horn_antenna

New Default Settings for Enhanced Usability

많은 기본설정들이 효율적인 모델링을 위하여 수정되었습니다.

  • Electromagnetic Wave, Frequency Domain 지배식에서 physics-controlled mesh기능이 활성화 되어있습니다.
  • Electromagnetic Wave, Frequency Domain 지배식에서 메시는 자동으로 스터디에 설정된 주파수나 파장을 참고합니다.
  • Electromagnetic Wave, Frequency Domain 지배식에서 기본 솔버 설정이 Robust에서 Fast로 변경되었습니다.
  • 3차원 far field plot에서 해상도가 조밀하게 설정되어 있습니다.
  • 첫 번째 설정되는 port는 excitation설정이 on으로 설정되어 있습니다.
  • Frequency Domain이나 Frequency-Domain Modal, Eigenfrequency스터디의 주파수 설정이 GHz로 설정되어 있습니다.
  • Eigenfrequency search method around shift설정이 Frequency-Domain Modal해석시 Larger real part으로 설정되어 있습니다.
  • Lumped port에서 신호 인가 시 Linper연산자가 내부적으로 적용되어 Frequency-Domain Modal해석시 사용자가 직접 설정할 필요가 없습니다.
  • S파라미터 결과 출력 시 초기설정으로 GHz에 대하여 출력됩니다.

Updated Tutorial Models That Use Reduced-Order Modeling Techniques

Frequency-Domain Modal스터디 사용시 인가전압을 위해 linper연산자를 설정할 필요 없이 lumped port와 port를 사용할 수 있습니다. 두 가지의 강력한 해석 방법인 Asymptotic waveform evaluation과 Frequency-Domain modal방식들이 고품질의 대역통과 필터 설계를 위해 Application Library에서 제공되는 예제들에서 사용되었습니다. 이러한 방법들은 일반적인 주파수 해석보다 더 조밀한 주파수응답결과를 빠르게 얻기 위해 사용됩니다.

Frequency-Domain Modal기법의 주파수 응답이 이산적인 주파수해석방식보다 5배 더 조밀하게 해석되었지만, 동일 필터 모델에서 해석시간은 4배정도 더 빠릅니다. 이 그림은 Waveguide Iris Bandpass Filter예제 모델에 대한 결과 입니다.

Frequency-Domain Modal기법의 주파수 응답이 이산적인 주파수해석방식보다 5배 더 조밀하게 해석되었지만, 동일 필터 모델에서 해석시간은 4배정도 더 빠릅니다. 이 그림은 Waveguide Iris Bandpass Filter예제 모델에 대한 결과 입니다.


Application Library paths for the examples using the Asymptotic Waveform Evaluation method:

RF_Module/Filters/cylindrical_cavity_filter_evanescent
RF_Module/Passive_devices/rf_coil

Application Library paths for the examples using the Frequency-Domain Modal method:

RF_Module/Filters/cascaded_cavity_filter
RF_Module/Filters/coupled_line_filter
RF_Module/Filters/cpw_bandpass_filter
RF_Module/Filters/waveguide_iris_filter