波动光学模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.4 版本为“波动光学模块”的用户增强了电磁波,波束包络 接口,其中引入了多个附加边界条件,用于对薄介电层、抗反射涂层和镜面建模。请阅读以下内容,进一步了解“波动光学模块”的所有更新。

过渡边界条件

电磁波,波束包络 接口的新增特征过渡边界条件 支持对电薄层进行建模,而无需使用域网格。传播方向有两个选项可供选择。第一种是法向(默认设置),这对于镜面 App 中的薄金属层建模非常有用。第二种是从波矢,这对于薄介电层(如抗反射涂层)非常有用。分光器模型使用了这一功能。

显示“分光器”模型的 COMSOL Multiphysics 5.4 版本 GUI 屏幕截图。

高斯光束从左侧边界射入,并通过对角薄金属层发生反射和透射,本例使用新的“过渡边界条件”特征实现。传播方向已设为 法向

高斯光束从左侧边界射入,并通过对角薄金属层发生反射和透射,本例使用新的“过渡边界条件”特征实现。传播方向已设为 法向

阻抗边界条件

电磁波,波束包络 接口的新增特征阻抗边界条件 支持在两个不同材料域之间的界面处截断仿真域。传播方向有两个选项可供选择。第一种是法向(默认设置),这对于外部高导电材料(如金属)非常有用。第二种是从波矢,这对于外部介电层(如玻璃基板)非常有用。菲涅尔方程模型使用了这一功能。

显示“菲涅尔方程”模型的 COMSOL Multiphysics 5.4 版本 GUI 屏幕截图。

平面波以一定角度入射到玻璃基板上,在空气域与玻璃域之间的边界发生反射。玻璃域已替换为 “阻抗边界条件”特征。传播方向设置为 从波矢

平面波以一定角度入射到玻璃基板上,在空气域与玻璃域之间的边界发生反射。玻璃域已替换为 “阻抗边界条件”特征。传播方向设置为 从波矢

狭缝端口

新版本为电磁波,波束包络 接口添加了“狭缝端口”。该端口用于在内部边界上激励包含入射波的计算域,同时吸收与设置端口模式场匹配的散射波。该特征有两个重要的使用案例。第一个是当完美匹配层 (PML) 支持狭缝端口时,吸收未被端口吸收的散射辐射的剩余部分;这称为 PML 域支持的狭缝端口。第二个是一侧为常规端口,另一个为理想电导体 (PEC) 边界条件的情况;这称为 PEC-支持的狭缝端口。

使用高斯光束激励域时,PML 支持的狭缝端口非常有用,因为反射的高斯光束不会被任何端口完全吸收,而是需要更通用的 PML 吸收方法。下方图片及说明对此作了演示和解释。在端口 特征应用于内部边界时,单击设置 窗口中的在内部端口上激活狭缝条件 复选框,可以实现此功能,如下方第二个图所示。

使用 PML 域支持的狭缝端口的模型。 在左侧使用 PML 域支持的狭缝端口来激励高斯光束。在右侧,有一个监听 PML 域支持的狭缝端口。大部分辐射被狭缝端口吸收,剩余的辐射被 PML 吸收。 在左侧使用 PML 域支持的狭缝端口来激励高斯光束。在右侧,有一个监听 PML 域支持的狭缝端口。大部分辐射被狭缝端口吸收,剩余的辐射被 PML 吸收。

模型向导中的单向耦合多物理场

对于涉及电磁热的多物理场,如“波动光学模块”中的激光加热 或“RF 模块”中的微波加热,现在“模型向导”中提供两个新的研究序列。顺序频域-稳态 研究首先求解电磁学的频域方程,然后在求解后续的稳态传热方程时使用电磁热源作为源项。顺序频域-瞬态 研究首先求解电磁学的频域方程,然后在求解后续的瞬态传热方程时使用电磁热源作为源项。对于这两个研究序列,假设电磁学分析与计算的温度分布无关。只要可以做出这种简化的假设,便能减少按顺序求解这两个物理场所需的计算资源。

以下模型使用了这一功能:

完全各向异性折射率

现在,在波动方程特征的电位移场模型 组合框中选择折射率 选项后,您可以输入完全各向异性张量。矩阵乘法用于将该折射率张量转换为相对介电常数张量。

时域显式物理场接口新增内部边界选项

现在,当使用电磁波,时域显式 接口时,理想电导体 (PEC)、理想磁导体 (PMC) 和表面电流密度可应用于内部边界。

默认绘图更改为 RainbowLight 颜色表

为了使数值较低的绘图部分显示的默认黑色文本更清晰,默认颜色表已更改为 RainbowLight

RainbowLight 和 Rainbow 颜色表对比图。

左图使用 RainbowLight 颜色表,而右图使用之前的默认设置,即 Rainbow 颜色表。很明显,RainbowLight 图上的黑色文本更清晰。

左图使用 RainbowLight 颜色表,而右图使用之前的默认设置,即 Rainbow 颜色表。很明显,RainbowLight 图上的黑色文本更清晰。

均匀天线阵列因子函数

现在,通过使用渐近法,用均匀阵列因子乘以单个天线的远场,可以根据单个天线单元的辐射方向图非常快速地计算天线阵列的辐射方向图。更新的微带贴片天线模型使用了这一功能。


根据单个微带天线仿真组合而成的 8x8 微带贴片天线阵列模式

二维轴对称模型的三维远场和 RCS 函数

利用新的远场函数,用户可以在新版本中根据二维轴对称模型的结果,更有效地快速估计等效三维模型的远场响应。对于以下情况,在二维轴对称几何的分析中可以使用三维远场模函数:

  • 使用方位角模数为正的圆形端口激励的天线模型
  • 由预定义的圆极化平面波类型激励的散射场分析

远场模函数

描述 名称 完整名称示例 完整名称描述
三维远场模 norm3dEfar norm3DEfar_TE12 方位角模数 1,模数为 2 的 TE 模式圆形端口
三维远场模,dB normdB3DEfar normdB3DEfar_TM21 方位角模数 2,模数为 1 的 TM 模式圆形端口

更多远场后处理变量

新版本添加了用于计算最大方向性系数、增益和实际增益的新变量。这些变量可用于全局计算,无需绘制三维远场模式。当远场计算特征的选择为球形(在三维模式中)和圆形(在二维轴对称模式中),并且中心位于原点时,用户可以访问这些变量。

远场后处理变量

描述 名称 适用于
最大方向性系数 maxD 二维轴对称,三维
最大方向性系数,dB maxDdB 二维轴对称,三维
最大增益 maxGain 二维轴对称,三维
最大增益,dB maxGaindB 二维轴对称,三维
最大实际增益 maxRGain 二维轴对称,三维
最大实际增益,dB maxRGaindB 二维轴对称,三维

过渡边界条件中的电厚层

新增的电厚层 选项将与过渡边界条件相邻的两个域解耦。边界的表现类似于内部阻抗边界条件,但层几何结构可以是表面,而不是域。

显示“电厚层”复选框的屏幕截图。

电厚层复选框激活两个相邻域之间的解耦。

电厚层复选框激活两个相邻域之间的解耦。

二维轴对称的圆偏振背景场

现在,使用二维轴对称分量进行建模时,可以将圆极化平面波 选项用于散射场公式。要使用此功能,首先在二维轴对称模型中使用圆偏振背景场来激励轴对称散射体。然后,使用 norm3DEfar 函数来计算三维模式中由线性偏振背景场照射的同一散射体的远场和雷达散射截面 (RCS)。

在三维中表示二维轴对称模型的演示示例。 二维轴对称模型的三维表示。由线性偏振背景场激励的三维球体的散射场响应可以通过具有圆偏振背景场的二维轴对称模型快速计算。 二维轴对称模型的三维表示。由线性偏振背景场激励的三维球体的散射场响应可以通过具有圆偏振背景场的二维轴对称模型快速计算。

端口的定义方式更为简便

现在箭头指示器有助于快速识别哪些端口是输入端口(激励),哪些是输出端口(侦听器)。箭头指向功率流向。在端口边界上,受激励端口由向内箭头表示,而侦听器端口由向外箭头表示。集总端口也支持这一可视化特征。

在 RF 模型中定义输入端口和输出端口的示例。 对于这个虹膜滤波器波导示例模型中受激励的端口边界,功率流的方向以红色箭头表示。 对于这个虹膜滤波器波导示例模型中受激励的端口边界,功率流的方向以红色箭头表示。

新增及更新的教学案例

COMSOL Multiphysics® 5.4 版本新增了两个并更新了一个教学案例。