Керівництво по моделюванню електродинамічних задач в частотної області

1. Який режим відповідає моделюванню електродинамічних задач в частотної області?
2. Якого типу електродинамічні задачі в частотної області можна вирішити в середовищі COMSOL Multiphysics?
3. антени
4. Хвилеводи і лінії передачі
5. резонатори
6. Відгалужувачі і фільтри
7. завдання розсіювання
8. періодичні структури
9. електромагнітний нагрів
10. феррімагнітниє пристрої
11. Висновок за типами модельованих в частотної області електродинамічних задач

Наша сеть партнеров Banwar

Протягом останніх кілька тижнів, ми опублікували серію статей, що стосуються різноманітних областей і граничних умов, наявних у розпорядженні для моделювання електродинамічних задач в частотної області; а також питань моделювання, побудови сітки розбиття і способи вирішення. В даному топіку, ми зберемо всю цю інформацію воєдино і дамо уявлення про різні типи завдань, які можна вирішувати в модулях Радіочастоти і Хвилева Оптика.

Який режим відповідає моделюванню електродинамічних задач в частотної області?

Всякий раз, коли ми вирішуємо чисельну задачу, що включає рівняння Максвелла при припущеннях, що:

• Всі властивості матеріалів не повинна залежать від напруженості поля

і

• Що поля змінюються в часі за гармонійним законом з відомою заданою частотою або в діапазоні частот

ми можемо трактувати її, як задачу в Частотної області. У разі, коли рішення для електромагнітного поля носить хвилеподібний характер, наприклад, для резонаторів, випромінюючих структур, або для будь-якого завдання, в якій ефективна довжина хвилі порівнянна з розмірами розглянутих об'єктів, то таке завдання може трактуватися як електромагнітна хвильова, або електродинамічну завдання.

У середовищі COMSOL Multiphysics є спеціалізований фізичний інтерфейс для даного типу моделювання - інтерфейс Електромагнітні Хвилі, Частотная Область. Наявний в наявності в модулях Радіочастоти і Хвильовий Оптики, він використовує метод кінцевих елементів для вирішення частотно-залежною форми рівнянь Максвелла. На діаграмі пояснюється, коли слід використовувати цей інтерфейс:

Електродинамічний підхід до моделювання справедливий в режимі, коли розміри об'єкта змінюються в діапазоні від приблизно \ lambda / 100 до 10 \ lambda, незалежно від абсолютної частоти. Нижче цього розміру, для моделювання підходить режим Низькою Частоти. У режимі Низькою Частоти, об'єкт не буде функціонувати (діяти, виступати в ролі) як антена або резонатор. Якщо ви хочете створювати моделі в цьому режимі, то для цього існує кілька різних модулів та інтерфейсів, якими ви могли б скористатися. За подробицями, зверніться, будь ласка, до даної блог-статті .

Верхня межа \ sim 10 \ lambda з'являється через обмеження пам'яті при вирішенні великих 3D моделей. Як тільки, лінійний розмір вашої області моделювання перевищить \ sim 10 \ lambda в кожному напрямку, що відповідає розміру області (10 \ lambda) ^ 3 або 1000 кубічних довжин хвиль, у вас з'явиться потреба в значних обчислювальних ресурсах для вирішення ваших моделей. Для більш докладної інформації про це, ознайомтеся з цієї попередньої блог-статті . З іншого боку, 2D моделі мають набагато більш скромні вимоги до пам'яті і дозволяють вирішувати завдання, лінійний розмір яких значно перевершує зазначену межу.

Для задач, в яких моделюються об'єкти мають розміри набагато більші довжини хвилі, є два варіанти:

1. Формалізм огинають пучка може бути застосованим, якщо моделируемое пристрій має відносно плавні зміни в структурі - а величина електромагнітного поля - повільно змінюється в напрямку поширення пучка в порівнянні зі змінами в поперечному напрямку. Більш докладно про це можна дізнатися з цієї статті .
2. Формалізм модуля Геометричною Оптики трактує світ, як прямолінійно поширюються промені, а не хвилі. У термінах приведеної вище діаграми, є велика область перекриття між цими двома режимами. Короткий опис наближення геометричної оптики, можна знайти у введенні в модуль Геометричною Оптики .

Якщо вам цікавий діапазон рентгенівських частот і вище, то в цьому режимі електромагнітна хвиля буде взаємодіяти і розсіюватися від атомної решітки матеріалів. Цей тип розсіювання не годиться (підходить) для моделювання з точки зору хвильового підходу, так як в ньому передбачається, що в кожній області моделювання матеріал можна розглядати, як суцільне середовище.

Якого типу електродинамічні задачі в частотної області можна вирішити в середовищі COMSOL Multiphysics?

Тепер, коли ми розуміємо, що мається на увазі під електродинамічними завданнями, давайте продовжимо класифікацію найбільш поширених областей застосування інтерфейсу Електромагнітні Хвилі, Частотная Область і подивимося на деякі приклади його використання. Ми розглянемо тут тільки кілька найбільш характерних прикладів, які є гарною відправною точкою для вивчення програмного забезпечення. Ці додатки вибираються з Бібліотеки Додатків модуля Радіочастоти і онлайн інтерактивної Галереї Додатків і з Бібліотеки Додатків модуля Хвильовий Оптики, а також онлайн .

антени

Антеною є будь-який пристрій, яке випромінює електромагнітні хвилі з метою передачі сигналу (і іноді енергії). Існує майже нескінченне число способів створення антен, найпростішої з яких є дипольная антена . З іншого боку, патч-антена або Микрополосковая антена являє собою більш компактний тип антени і використовується в багатьох додатках. Величинами, що представляють інтерес, є S-параметри, імпеданс антени, втрати, і діаграма спрямованості в далекому полі, а також взаємодії випромінюваних полів з будь-якими навколишніми конструкціями, як видно з нашої навчальної моделі Вплив автомобільної антени на кабельну проводку .

Хвилеводи і лінії передачі

У той час як антена випромінює у вільний простір, хвилеводи і лінії передачі направляють і керують електромагнітними хвилями уздовж заданого шляху. можна розрахувати імпеданс ліній передач , Константи поширення і S-параметри в випадках мікрохвильового і оптичного волноводов.

резонатори

Резонатори є структурами, призначеними не для передачі, а для зберігання електромагнітної енергії певної частоти в межах невеликого простору. Такі структури можуть бути або закриті порожнини, як наприклад металева оболонка , Або відкриту конструкцію подібну ВЧ котушці або резонатору Фабрі-Перо . Величинами, що представляють інтерес, є резонансна частота і добротність (Q-фактор).

Відгалужувачі і фільтри

Фактично ответвители і фільтри являють собою результат комбінації хвилеводу з резонатора структурою. Фільтри призначені, для того щоб або заборонити, або дозволити поширення певних частот в структурі, а ответвители, для того щоб дозволити випромінювання (усього або частини) з певним спектром проходити з одного хвилеводу в іншій. СВЧ-фільтр може представляти із себе настільки просту конструкцію, як послідовність пов'язаних прямокутних порожнин, що видно з нашої навчальної моделі хвилеводних смуговий фільтр з діафрагми .

завдання розсіювання

Завдання розсіювання можна розглядати, як протилежність завданню випромінювання, тобто антени. Знаходиться не випромінюється об'єктом поле, а навпаки, об'єкт моделюється в заданому опорному поле випромінювання, що приходить від джерела, розташованого за межами області моделювання. В результаті розраховується структура далекого поля розсіяною об'єктом електромагнітної хвилі, як демонструється в еталонному прикладі ідеально провідної сфери в поле плоскої хвилі .

періодичні структури

Деякі електродинамічні задачі значно спрощуються, якщо допустити, що вони мають квазі-нескінченного періодичного структурою. Наприклад, можна обчислити зонну структуру фотонного кристала розглядаючи тільки одну елементарну комірку. Структури, які є періодичними в одному або двох напрямках, такі як решітки і частотно виборчі поверхні також можуть бути проаналізовані з метою визначення їх відображення і пропускання.

електромагнітний нагрів

Всякий раз, коли через об'єкт пропускається значна кількість енергії у вигляді електромагнітних хвиль, він може відчувати нагрів. Мікрохвильова піч на вашій кухні є прекрасним прикладом того, де ви потребуєте моделюванні зв'язку між електромагнітними полями і теплопередачей. Ще одним хорошим вступним прикладом є ВЧ нагрівання , В якому під час перехідного процесу підвищується температура і стає необхідним враховувати зміну температурно-залежних властивостей матеріалу.

феррімагнітниє пристрої

Прикладання великого подмагничивающего поля, створюваного постійним струмом, до феррімагнітном матеріалами, призводить до появи у них анізотропних властивостей по відношенню до малих (в порівнянні з полем постійного струму) змінним полях. Завдяки цьому, умови поширення електромагнітних хвиль в ферритовой середовищі залежать від їх напрямки та величини постійного поля. Такі матеріали можуть бути використані в СВЧ циркулятора . Навзаємне поведінку матеріалу - неоднакові умови поширення для прямої і зворотної хвиль - забезпечує ізоляцію.

Висновок за типами модельованих в частотної області електродинамічних задач

Тепер у вас є загальне уявлення про можливості та додатках модулів Радіочастоти і Хвильовий Оптики для електродинамічних задач в частотної області. Перераховані вище приклади, так само як і інші приклади з галереї Додатків , Послужать чудовою відправною точкою для вивчення програмного забезпечення, оскільки вони подаються разом з документацією і покрокові інструкції для моделювання.

Будь ласка, не забувайте про те, що модулі Радіочастоти і Хвильовий Оптики мають також інший функціональністю і формулюваннями, які не описані тут, включаючи інтерфейси перехідних процесів поширення електромагнітних хвиль для моделювання нелінійності матеріалу, такий як генерація другої гармоніки і моделювання часу поширення сигналу . Модуль Радіочастоти додатково включає в себе інструменти моделювання схем для підключення кінцево-елементної моделі системи до моделі ланцюга , А також інтерфейс для моделювання телеграфних рівнянь (рівнянь ліній передачі) .

У міру занурення в середу COMSOL Multiphysics і моделювання електродинамічних явищ, будь ласка, продовжуйте знайомитися з нашими іншими топіки по варіантів розбиття і рішення ; різним моделям матеріалів , Які ви зможете використовувати; а також граничним умовам, що є у розпорядженні для моделювання металевих об'єктів , хвилеводних портів , і відкритих кордонів . Ці статті нададуть вам базові знання, які вам будуть корисні для того, щоб з упевненістю моделювати завдання чисельної електродинаміки.

Якщо у вас виникли будь-які питання про можливості використання середовища COMSOL Multiphysics для вирішення електродинамічних задач і / або про те, як її використовувати для Ваших потреб, будь ласка, Напишіть нам .