多物理场仿真应用于射频与微波

2018-04-03 by:CAE仿真在线来源:互联网

航空航天与国防行业需要比以往任何时候都要更快地设计更低成本的高级电子系统。天线和微波设计工程师必须在更小尺寸、高功率输出、最低成本和出色可靠性等相互冲突的需求之间进行权衡。最终结果是让天线和微波组件在满足更小尺寸需求的同时,也能在更高功率级和更高频率下运行。其中不可避免的问题是,温度将有可能严重影响产品性能。通常,电气设计和热设计由两个不同的部门承担,各自有不同的需求和分析工具,而且相互之间很少有部门间互动的情况。因此,根据一些案例表明,经常无法充分解释设计的相关性会导致严重的产品故障。

例如,微波组件产生的热量会使一些材料的介质损耗角正切增加,从而产生更多热量,并可能引起逃逸反应。在极端情况下,产品故障会阻碍任务的完成,甚至会造成人员伤亡。将电气、热和结构仿真相结合经常能够提供前所未有的洞察力,以防止故障的发生并改善产品性能。雷神公司是全球国防、安全和民用市场的技术与创新领导者。该公司使用综合全面、稳健可靠的电子设计解决方案来改善产品的可靠性,缩短上市进程,并控制工程与制造成本。

照片(左为正常尺寸,右为放大后)显示了微波结点的损坏。

多物理场仿真——发展简史

工程师长期以来一直致力于将高频电磁学仿真与热分析相结合,但在千禧年到来之前尚未找到行之有效的方法。在2002年, 雷神管理层鼓励对耦合仿真功能所蕴藏的潜力进行研究。其后公司选择了ANSYS HFSS,以实现电磁学分析与热分析之间的耦合。雷神公司工程师开始广泛使用该工具来设计微波系统,并取得了很好的效果。2007 年,该工程师小组的任务是将振动和流体动力学功能添加到耦合分析工具套件中。

将HFSS集成到更广泛的ANSYS仿真产品组合(例如ANSYS Mechanical和ANSYS Fluent)后,就可以方便直观地在ANSYS Workbench 中执行多物理场仿真。

微波结点的ANSYS HFSS模型

微波结点上的电压击穿

在近期的一个项目实例中,高功率信号由天线平面接收。接收到的有效辐射信号流向微波馈电电路。尽管电气和热设计小组都对该设计进行了验收,但微波结点(同轴引脚连接到所需频率下的微波传输带布线)上仍出现了电压击穿。电源打开后不久便产生了大量热量,从而导致连接器损坏。

为解决这一问题,雷神公司的工程师在HFSS 中对组件进行建模。该软件能够对调谐螺丝和探针等微波组件进行精确建模。HFSS 采用有限元法,可以在需要时使用小的非结构化网格单元,并在不需要使用小单元时使用大单元,从而在不影响精确度的前提下缩短处理时间。对于需要提高场精度的区域,自适应网格剖分功能可对这些区域的网格进行自动加密。

雷神公司的工程师从计算机辅助设计(CAD) 文件中导入初始设计几何结构。他们定义了材料的电气属性,例如Kovar® 外壳、氧化铝衬底、Teflon® 绝缘体以及铍、铜和Kovar 引脚的介电常数、介质损耗角正切和电导率。然后,工程师定义了边界条件,用于说明求解域表面和物体交界面上的场行为。他们还定义了模型的能量进出端口。HFSS 计算出了结构内部的完整电磁场方向图,同时还计算出了用于3D场求解的所有模式和端口(材料的介电特性与温度有关)。25℃下的HFSS 电场分析显示,发生故障的区域中电场不超过1.5x106 伏特/ 米(V/m),相比之下空气中发生电压击穿时的值为2.952x106 V/m。

电气与热耦合仿真

现实情况更为复杂, 因为环境温度会影响材料的介电特性,同时材料的介电特性又会影响微波组件产生的热量。雷神公司的工程师充分利用ANSYS Workbench 中HFSS 与ANSYS Mechanical 之间的集成功能来捕捉这些相关性。HFSS 模型被耦合到ANSYSMechanical 中,用于执行瞬态热仿真。自然对流冷却的边界条件被添加到底面。温度分布则用于执行静态结构分析。

工程师运用ANSYS Workbench 的耦合功能将温度场(通过物理测量来确定)应用到ANSYS Mechanical 中,用以计算与温度有关的热应力。结构仿真显示,在内部连接器中存在很高的应力和高达22μm 的变形。热分析表明,键合带以及连接点附近引脚上的实际温度达到了86℃,能转换为更低的击穿电压。

雷神公司的工程师使用更高温度下的介电特性重新分析了86℃下的组件,并发现出现故障的区域内电场超过了该温度下空气中发生电压击穿时的值2.45x106。

该仿真结果有助于雷神公司的工程师了解故障是如何发生的,并对设计进行修正,以避免未来发生类似的故障。团队在初始温度下求解电磁学模型,将电磁损耗发送到热仿真中用以确定损耗对温度的影响,将温度送回电磁学模型以计算新温度下的损耗,再继续进行迭代直到达到稳态温度变化为止。对产品所用材料进行进一步的更改后,仿真显示该设计运行效果非常理想,这一点通过已物理测试得到证实。