多物理場仿真應用于射頻與微波

2018-04-03 by:CAE仿真在線來源:互聯網

航空航天與國防行業需要比以往任何時候都要更快地設計更低成本的高級電子系統。天線和微波設計工程師必須在更小尺寸、高功率輸出、最低成本和出色可靠性等相互沖突的需求之間進行權衡。最終結果是讓天線和微波組件在滿足更小尺寸需求的同時,也能在更高功率級和更高頻率下運行。其中不可避免的問題是,溫度將有可能嚴重影響產品性能。通常,電氣設計和熱設計由兩個不同的部門承擔,各自有不同的需求和分析工具,而且相互之間很少有部門間互動的情況。因此,根據一些案例表明,經常無法充分解釋設計的相關性會導致嚴重的產品故障。

例如,微波組件產生的熱量會使一些材料的介質損耗角正切增加,從而產生更多熱量,并可能引起逃逸反應。在極端情況下,產品故障會阻礙任務的完成,甚至會造成人員傷亡。將電氣、熱和結構仿真相結合經常能夠提供前所未有的洞察力,以防止故障的發生并改善產品性能。雷神公司是全球國防、安全和民用市場的技術與創新領導者。該公司使用綜合全面、穩健可靠的電子設計解決方案來改善產品的可靠性,縮短上市進程,并控制工程與制造成本。

照片(左為正常尺寸,右為放大后)顯示了微波結點的損壞。

多物理場仿真——發展簡史

工程師長期以來一直致力于將高頻電磁學仿真與熱分析相結合,但在千禧年到來之前尚未找到行之有效的方法。在2002年, 雷神管理層鼓勵對耦合仿真功能所蘊藏的潛力進行研究。其后公司選擇了ANSYS HFSS,以實現電磁學分析與熱分析之間的耦合。雷神公司工程師開始廣泛使用該工具來設計微波系統,并取得了很好的效果。2007 年,該工程師小組的任務是將振動和流體動力學功能添加到耦合分析工具套件中。

將HFSS集成到更廣泛的ANSYS仿真產品組合(例如ANSYS Mechanical和ANSYS Fluent)后,就可以方便直觀地在ANSYS Workbench 中執行多物理場仿真。

微波結點的ANSYS HFSS模型

微波結點上的電壓擊穿

在近期的一個項目實例中,高功率信號由天線平面接收。接收到的有效輻射信號流向微波饋電電路。盡管電氣和熱設計小組都對該設計進行了驗收,但微波結點(同軸引腳連接到所需頻率下的微波傳輸帶布線)上仍出現了電壓擊穿。電源打開后不久便產生了大量熱量,從而導致連接器損壞。

為解決這一問題,雷神公司的工程師在HFSS 中對組件進行建模。該軟件能夠對調諧螺絲和探針等微波組件進行精確建模。HFSS 采用有限元法,可以在需要時使用小的非結構化網格單元,并在不需要使用小單元時使用大單元,從而在不影響精確度的前提下縮短處理時間。對于需要提高場精度的區域,自適應網格剖分功能可對這些區域的網格進行自動加密。

雷神公司的工程師從計算機輔助設計(CAD) 文件中導入初始設計幾何結構。他們定義了材料的電氣屬性,例如Kovar® 外殼、氧化鋁襯底、Teflon® 絕緣體以及鈹、銅和Kovar 引腳的介電常數、介質損耗角正切和電導率。然后,工程師定義了邊界條件,用于說明求解域表面和物體交界面上的場行為。他們還定義了模型的能量進出端口。HFSS 計算出了結構內部的完整電磁場方向圖,同時還計算出了用于3D場求解的所有模式和端口(材料的介電特性與溫度有關)。25℃下的HFSS 電場分析顯示,發生故障的區域中電場不超過1.5x106 伏特/ 米(V/m),相比之下空氣中發生電壓擊穿時的值為2.952x106 V/m。

電氣與熱耦合仿真

現實情況更為復雜, 因為環境溫度會影響材料的介電特性,同時材料的介電特性又會影響微波組件產生的熱量。雷神公司的工程師充分利用ANSYS Workbench 中HFSS 與ANSYS Mechanical 之間的集成功能來捕捉這些相關性。HFSS 模型被耦合到ANSYSMechanical 中,用于執行瞬態熱仿真。自然對流冷卻的邊界條件被添加到底面。溫度分布則用于執行靜態結構分析。

工程師運用ANSYS Workbench 的耦合功能將溫度場(通過物理測量來確定)應用到ANSYS Mechanical 中,用以計算與溫度有關的熱應力。結構仿真顯示,在內部連接器中存在很高的應力和高達22μm 的變形。熱分析表明,鍵合帶以及連接點附近引腳上的實際溫度達到了86℃,能轉換為更低的擊穿電壓。

雷神公司的工程師使用更高溫度下的介電特性重新分析了86℃下的組件,并發現出現故障的區域內電場超過了該溫度下空氣中發生電壓擊穿時的值2.45x106。

該仿真結果有助于雷神公司的工程師了解故障是如何發生的,并對設計進行修正,以避免未來發生類似的故障。團隊在初始溫度下求解電磁學模型,將電磁損耗發送到熱仿真中用以確定損耗對溫度的影響,將溫度送回電磁學模型以計算新溫度下的損耗,再繼續進行迭代直到達到穩態溫度變化為止。對產品所用材料進行進一步的更改后,仿真顯示該設計運行效果非常理想,這一點通過已物理測試得到證實。