多物理場(chǎng)仿真應(yīng)用于射頻與微波

2018-04-03 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

航空航天與國(guó)防行業(yè)需要比以往任何時(shí)候都要更快地設(shè)計(jì)更低成本的高級(jí)電子系統(tǒng)。天線和微波設(shè)計(jì)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(jìn)行權(quán)衡。最終結(jié)果是讓天線和微波組件在滿足更小尺寸需求的同時(shí),也能在更高功率級(jí)和更高頻率下運(yùn)行。其中不可避免的問(wèn)題是,溫度將有可能嚴(yán)重影響產(chǎn)品性能。通常,電氣設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)由兩個(gè)不同的部門承擔(dān),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(dòng)的情況。因此,根據(jù)一些案例表明,經(jīng)常無(wú)法充分解釋設(shè)計(jì)的相關(guān)性會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的產(chǎn)品故障。

例如,微波組件產(chǎn)生的熱量會(huì)使一些材料的介質(zhì)損耗角正切增加,從而產(chǎn)生更多熱量,并可能引起逃逸反應(yīng)。在極端情況下,產(chǎn)品故障會(huì)阻礙任務(wù)的完成,甚至?xí)斐扇藛T傷亡。將電氣、熱和結(jié)構(gòu)仿真相結(jié)合經(jīng)常能夠提供前所未有的洞察力,以防止故障的發(fā)生并改善產(chǎn)品性能。雷神公司是全球國(guó)防、安全和民用市場(chǎng)的技術(shù)與創(chuàng)新領(lǐng)導(dǎo)者。該公司使用綜合全面、穩(wěn)健可靠的電子設(shè)計(jì)解決方案來(lái)改善產(chǎn)品的可靠性,縮短上市進(jìn)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(jié)點(diǎn)的損壞。

多物理場(chǎng)仿真——發(fā)展簡(jiǎn)史

工程師長(zhǎng)期以來(lái)一直致力于將高頻電磁學(xué)仿真與熱分析相結(jié)合,但在千禧年到來(lái)之前尚未找到行之有效的方法。在2002年, 雷神管理層鼓勵(lì)對(duì)耦合仿真功能所蘊(yùn)藏的潛力進(jìn)行研究。其后公司選擇了ANSYS HFSS,以實(shí)現(xiàn)電磁學(xué)分析與熱分析之間的耦合。雷神公司工程師開(kāi)始廣泛使用該工具來(lái)設(shè)計(jì)微波系統(tǒng),并取得了很好的效果。2007 年,該工程師小組的任務(wù)是將振動(dòng)和流體動(dòng)力學(xué)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(chǎn)品組合(例如ANSYS Mechanical和ANSYS Fluent)后,就可以方便直觀地在ANSYS Workbench 中執(zhí)行多物理場(chǎng)仿真。

微波結(jié)點(diǎn)的ANSYS HFSS模型

微波結(jié)點(diǎn)上的電壓擊穿

在近期的一個(gè)項(xiàng)目實(shí)例中,高功率信號(hào)由天線平面接收。接收到的有效輻射信號(hào)流向微波饋電電路。盡管電氣和熱設(shè)計(jì)小組都對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)收,但微波結(jié)點(diǎn)(同軸引腳連接到所需頻率下的微波傳輸帶布線)上仍出現(xiàn)了電壓擊穿。電源打開(kāi)后不久便產(chǎn)生了大量熱量,從而導(dǎo)致連接器損壞。

為解決這一問(wèn)題,雷神公司的工程師在HFSS 中對(duì)組件進(jìn)行建模。該軟件能夠?qū)φ{(diào)諧螺絲和探針等微波組件進(jìn)行精確建模。HFSS 采用有限元法,可以在需要時(shí)使用小的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元,并在不需要使用小單元時(shí)使用大單元,從而在不影響精確度的前提下縮短處理時(shí)間。對(duì)于需要提高場(chǎng)精度的區(qū)域,自適應(yīng)網(wǎng)格剖分功能可對(duì)這些區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)加密。

雷神公司的工程師從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD) 文件中導(dǎo)入初始設(shè)計(jì)幾何結(jié)構(gòu)。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(shù)、介質(zhì)損耗角正切和電導(dǎo)率。然后,工程師定義了邊界條件,用于說(shuō)明求解域表面和物體交界面上的場(chǎng)行為。他們還定義了模型的能量進(jìn)出端口。HFSS 計(jì)算出了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的完整電磁場(chǎng)方向圖,同時(shí)還計(jì)算出了用于3D場(chǎng)求解的所有模式和端口(材料的介電特性與溫度有關(guān))。25℃下的HFSS 電場(chǎng)分析顯示,發(fā)生故障的區(qū)域中電場(chǎng)不超過(guò)1.5x106 伏特/ 米(V/m),相比之下空氣中發(fā)生電壓擊穿時(shí)的值為2.952x106 V/m。

電氣與熱耦合仿真

現(xiàn)實(shí)情況更為復(fù)雜, 因?yàn)榄h(huán)境溫度會(huì)影響材料的介電特性,同時(shí)材料的介電特性又會(huì)影響微波組件產(chǎn)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(lái)捕捉這些相關(guān)性。HFSS 模型被耦合到ANSYSMechanical 中,用于執(zhí)行瞬態(tài)熱仿真。自然對(duì)流冷卻的邊界條件被添加到底面。溫度分布則用于執(zhí)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析。

工程師運(yùn)用ANSYS Workbench 的耦合功能將溫度場(chǎng)(通過(guò)物理測(cè)量來(lái)確定)應(yīng)用到ANSYS Mechanical 中,用以計(jì)算與溫度有關(guān)的熱應(yīng)力。結(jié)構(gòu)仿真顯示,在內(nèi)部連接器中存在很高的應(yīng)力和高達(dá)22μm 的變形。熱分析表明,鍵合帶以及連接點(diǎn)附近引腳上的實(shí)際溫度達(dá)到了86℃,能轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障的區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)超過(guò)了該溫度下空氣中發(fā)生電壓擊穿時(shí)的值2.45x106。

該仿真結(jié)果有助于雷神公司的工程師了解故障是如何發(fā)生的,并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正,以避免未來(lái)發(fā)生類似的故障。團(tuán)隊(duì)在初始溫度下求解電磁學(xué)模型,將電磁損耗發(fā)送到熱仿真中用以確定損耗對(duì)溫度的影響,將溫度送回電磁學(xué)模型以計(jì)算新溫度下的損耗,再繼續(xù)進(jìn)行迭代直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫度變化為止。對(duì)產(chǎn)品所用材料進(jìn)行進(jìn)一步的更改后,仿真顯示該設(shè)計(jì)運(yùn)行效果非常理想,這一點(diǎn)通過(guò)已物理測(cè)試得到證實(shí)。