搜索用于電磁場(chǎng)仿真端口的含義
2016-12-22 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
當(dāng)使用 COMSOL Multiphysics 軟件在頻域模擬波動(dòng)電磁場(chǎng)問(wèn)題時(shí),有幾個(gè)選項(xiàng)能夠進(jìn)行無(wú)反射傳播電磁波的邊界模擬。本文我們將討論 RF 模塊的‘集總端口’邊界條件,以及 RF 模塊和波動(dòng)光學(xué)模塊中的‘端口’邊界條件。
利用邊界條件簡(jiǎn)化您的建模
當(dāng)模擬電磁波結(jié)構(gòu)時(shí)(例如天線、波導(dǎo)、腔體、濾波器和傳輸線),我們通常可以將分析限制在整個(gè)系統(tǒng)的一小部分。例如,以同軸分流器模型示例為例,它把從一個(gè)同軸電纜中傳入的信號(hào)均分為兩份。我們知道輸入電纜和輸出電纜的電磁場(chǎng)將擁有某種模式,且能量將沿同軸電纜截面的法向進(jìn)行傳播。
還存在其他一些情況,例如我們已經(jīng)知道模擬域中某些邊界上電磁場(chǎng)的模式(但不知道大小或相位),此時(shí)就應(yīng)使用‘集總端口’和‘端口’邊界條件。讓我們看一下這些邊界條件的意義,以及何時(shí)應(yīng)該使用它們。
‘集總端口’邊界條件
要討論‘集總端口’邊界條件,我們可以從研究同軸電纜中的場(chǎng)開(kāi)始。同軸電纜是一個(gè)由介電分隔的內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體構(gòu)成的波導(dǎo)。在同軸電纜的工作頻率內(nèi),它們將以橫電磁 (TEM) 模式工作,意思是電場(chǎng)和磁場(chǎng)矢量在沿電纜傳播的波方向不存在分量。也就是說(shuō),電磁與磁場(chǎng)全部存在于截面平面內(nèi)。在 COMSOL Multiphysics 中,我們可以計(jì)算同軸電纜的這些場(chǎng)與阻抗,如同軸電纜模型所示。
這個(gè)問(wèn)題存在一個(gè)解析解,結(jié)果顯示,電場(chǎng)的下降與內(nèi)外導(dǎo)體之間的 1/r 成正比。因此,既然我們已經(jīng)知道了電場(chǎng)在同軸電纜截面處的形狀,就可以它設(shè)為一個(gè)‘集總端口,同軸’邊界條件。這一條件的激勵(lì)選項(xiàng)包括以下方式:通過(guò)線纜阻抗、施加電壓與相位;或通過(guò)施加電流;或作為與外部定義電路的連接。盡管存在這三個(gè)選項(xiàng),電場(chǎng)總是會(huì)隨 1/r 以一個(gè)代表(用戶指定)輸入和(未知)輸出波之和的復(fù)數(shù)值而變化。
同軸電纜中的電場(chǎng)。
對(duì)于同軸電纜,我們需要在一個(gè)環(huán)形面應(yīng)用邊界條件,在其他情況下,我們也可以使用‘集總端口’邊界條件?！偠丝凇瘲l件還包括‘均勻’和‘用戶定義’選項(xiàng)?！鶆颉x項(xiàng)可用于如下幾何:一個(gè)橋接兩個(gè)導(dǎo)電面之間狹隙的表面。假設(shè)電場(chǎng)在兩個(gè)邊界面之間大小均勻,軟件自動(dòng)計(jì)算‘集總端口’面的高度與寬度,它應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)小于周?chē)牧现械牟ㄩL(zhǎng)。‘均勻集總端口’常用于激勵(lì)帶狀線和共面波導(dǎo),正如“模擬共面波導(dǎo)”博客所具體介紹過(guò)的。
典型‘均勻集總端口’的幾何。
‘用戶定義’選項(xiàng)支持您手動(dòng)輸入饋線的高度與寬度,以及電場(chǎng)矢量的方向。本選項(xiàng)適合需要手動(dòng)輸入這些設(shè)定的情況,比如下方所示幾何,以及偶極天線示例模型。
‘用戶定義集總端口’的幾何示例。
‘集總端口’條件的另一項(xiàng)應(yīng)用是模擬小型電氣單元,例如著與微波電路連接的電阻、電容、或電感。‘集總端口’可以用于指定模擬域內(nèi)兩個(gè)導(dǎo)電邊界之間的有效阻抗。還有一個(gè)附加的‘集總單元’邊界條件,它的公式與‘集總端口’相同,但有一個(gè)定制用戶界面以及不同的后處理選項(xiàng)。Wilkinson 功率分配器示例演示了這一功能。
利用‘集總端口’求解了模型的解之后,COMSOL Multiphysics 會(huì)自動(dòng)后處理 S 參數(shù),以及模型中每個(gè)‘集總端口’的阻抗,但僅支持計(jì)算 TEM 模型波導(dǎo)的阻抗。也能計(jì)算非常接近 TEM 的結(jié)構(gòu)中的近似阻抗,就像“計(jì)算波紋波導(dǎo)中的阻抗”博客中介紹的那樣。一旦傳播方向存在明顯的電場(chǎng)或磁場(chǎng),我們將不能使用‘集總端口’條件。作為替代方案,我們可以使用‘端口’邊界條件。
‘端口’邊界條件
在討論‘端口’邊界條件之前,讓我們先了解一下矩形波導(dǎo)。同樣,波導(dǎo)內(nèi)的傳播場(chǎng)也存在解析解。這些解可以分為橫向電場(chǎng) (TE) 或橫向磁場(chǎng) (TM),分別表示在傳播方向沒(méi)有電場(chǎng)或磁場(chǎng)。
我們僅分析 TE 模式波導(dǎo),在二維平面對(duì)其進(jìn)行模擬。我們考慮的幾何是截面面積不同的兩個(gè)直段。在工作頻率范圍內(nèi),較寬的段支持 TE10 和 TE20 模式,較窄的段僅支持 TE10 模式。波導(dǎo)在較寬段由 TE10 模式激勵(lì)。隨著波沿著波導(dǎo)傳播,并撞到接頭,部分波會(huì)以 TE10 模式反射回源項(xiàng)處,部分會(huì)沿著較窄的段繼續(xù)以 TE10 模式傳播,部分會(huì)轉(zhuǎn)換至 TE20 模式,然后傳回源項(xiàng)邊界處。我們希望能恰當(dāng)?shù)啬M這些,并計(jì)算如何分裂成不同的模式。
‘端口’邊界條件的公式表達(dá)與‘集總端口’邊界條件略有不同,可以在相同的邊界上增加多類端口。也就是說(shuō),‘端口’邊界條件中的每個(gè)都會(huì)對(duì)其他邊界條件產(chǎn)生貢獻(xiàn)(‘集總端口’則會(huì)覆蓋其他邊界條件)。‘端口’邊界條件也會(huì)在每種模式下以功率的形式指定入射波的大小。
所考察波導(dǎo)系統(tǒng)示意圖。
下圖顯示了包含三個(gè)端口邊界條件的上述模型的解,以及針對(duì)電場(chǎng)形狀的 TE10 和 TE20 模式的解析解。要正確地計(jì)算該問(wèn)題的解,的確需要增加所有這三個(gè)端口。求解完成后,軟件還提供了可供后處理使用的 S 參數(shù),它表示從輸入到輸出信號(hào)的相對(duì)分裂和相移。
顯示了不同的端口模式的解,以及計(jì)算得到的電場(chǎng)。
‘端口’邊界條件也支持圓形和同軸波導(dǎo)形狀,因?yàn)檫@些情況下也存在解析解。但大部分波導(dǎo)截面并沒(méi)有,這時(shí),必須使用‘?dāng)?shù)值端口’邊界條件。這種邊界可以用于任意的波導(dǎo)截面。當(dāng)求解包含一個(gè)‘?dāng)?shù)值端口’的模型時(shí),需要先求解邊界處的場(chǎng)。有關(guān)這一模擬技巧的示例,請(qǐng)看介電板條形波導(dǎo)示例,它與一個(gè)半解析案例進(jìn)行了對(duì)比,然后再看波適配器示例,它只能通過(guò)對(duì)端口處場(chǎng)的形狀進(jìn)行數(shù)值計(jì)算求解。
預(yù)定義了矩形、同軸和圓形端口
使用數(shù)值端口能定義任意波導(dǎo)截面。
最后一個(gè)案例,‘端口’邊界條件適合模擬平面波在類無(wú)限周期性結(jié)構(gòu)中的入射,比如衍射光柵。在這種情況下,我們知道任何入射和出射波必須為平面波。出射平面波將沿不同方向傳播(不同的衍射級(jí)),我們可以提前確定方向,但無(wú)法確定相應(yīng)大小。在這些情況下,您可以使用‘周期性端口’邊界條件,它可以指定輸入波的極化與方向。軟件隨即會(huì)自動(dòng)計(jì)算不同衍射級(jí)的所有方向,以及傳至每個(gè)衍射級(jí)的功率大小。
相關(guān)標(biāo)簽搜索：用于電磁場(chǎng)仿真端口的含義 ADS電磁培訓(xùn) ADS電磁培訓(xùn)課程 ADS電磁分析 ADS電磁在線視頻教程 ADS電磁技術(shù)學(xué)習(xí)教程 ADS電磁軟件教程 ADS電磁資料下載 ADS電磁代做 ADS電磁基礎(chǔ)知識(shí) Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Ansys培訓(xùn)
