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如何使用 COMSOL 耦合辐射天线和接收天线

2017年 1月 18日

本文为高频电磁场多尺度建模系列博客的第3部分,将重点介绍接收天线。我们已经在第 1 部分介绍了理论和定义,在第 2 部分中介绍了辐射天线。

2 种在 COMSOL Multiphysics® 中模拟辐射场的方法

2017年 1月 12日

本篇博文为高频电磁多尺度建模系列博客的第二部分,将讨论如何在 COMSOL Multiphysics® 软件中使用多尺度建模技术模拟辐射场。在文中,我们使用了 2 种不同的方法模拟了指定位置处的天线远场,并对模拟结果进行了理论验证。尽管这些方法应用普遍,但今天我们将围绕天线通信仿真的实际问题 展开讨论。有关理论和术语的综述,请参阅本系列博客的第一部分 。 辐射天线的建模与仿真 下面,我们开始讨论如何使用 COMSOL Multiphysics 软件及其附加的RF模块进行传统天线仿真。模拟一个辐射天线时,我们会有一个局域源,并想了解天线附近和局域外的电磁场信息。从根本上讲,这就是天线的作用,即将局域信息(例如,电压或电流)转换为传播的信息(例如,输出辐射)。接收天线则刚好相反,它是将入射辐射转换为局域信息。许多设备(例如手机)既充当接收天线,又充当发射天线,使我们能够拨打电话或浏览网络。 智利阿塔卡马大毫米波阵列天线(Atacama Large Millimeter Array,ALMA)。ALMA 用于检测来自太空的信号,以帮助科学家研究恒星、行星和星系的形成。这些信号传播的距离远大于天线的尺寸。图片通过 ESO/C. Malinn 在CC BY 4.0 下获得许可。 为了使所需的计算资源合理,我们仅对天线周围的小部分区域进行建模。然后,使用一个吸收边界截取这个小的模拟域。例如,使用完全匹配层(PML)吸收输出的辐射,由于其将求解仿真域中的所有复杂电场,因此我们将其称为全波 仿真。 然后,我们使用这种方法为我们提供了两个区域中的电磁场信息:直接计算的天线近场,以及使用 远场域 节点计算的远场。COMSOL 案例库中的许多RF 模型就使用了这种方法,例如偶极天线模型教程。这里,我们将不对实际的操作做进一步的介绍。如果您对该案例感兴趣,可以至 COMSOL 案例库中下载模型教程。 使用远场域节点 有人曾提出这样一个问题:“如何使用远场域节点计算指定位置的辐射场?”这是一个很好的问题。如 COMSOL《RF 模块用户指南》中所介绍的,远场域节点用于计算散射幅度,因此要确定特定位置的复数场,需要修改距离和相位。远场电场 x 分量的表达式为: \overrightarrow {E}{FFx} = emw.Efarx\times \frac{e^{-jkr}}{(r/1[m])}   y 和 z 分量的表达式与之类似,其中 r 是球面坐标中的径向距离,k 是介质的波矢量,emw.Efarx 是散射幅度。值得指出的是,emw.Efarx 是在特定方向上的散射幅度,因此它取决于角位置,但不是径向位置。场强的降低仅受 1/r 项的控制,变量 emw.Efarphi 和 emw.Efartheta 用于球坐标系中的散射幅度。 为了验证此结果,我们模拟了一个完美电偶极子,并将模拟结果与解析解进行了比较。 在高频电磁场的多尺度模拟导论一文中,我们对模拟过程做了详细介绍。如该文所介绍的,我们将完整结果拆分为两项,将其称为近场项和远场项。下面,我们在这里再次简要展示这些结果。 \begin{align} \overrightarrow{E} & = \overrightarrow{E}{FF} + \overrightarrow{E}{NF}\ \overrightarrow{E}{FF} & = \frac{1}{4\pi\epsilon0}k^2(\hat{r}\times\vec{p})\times\hat{r}\frac{e^{-jkr}}{r}\ \overrightarrow{E}{NF} & = \frac{1}{4\pi\epsilon_0}3\hat{r}(\hat{r}\cdot\vec{p})-\vec{p}e^{-jkr} \end{align}   其中,\vec{p} 是辐射源的偶极矩,\hat{r} 是球坐标系中的单位向量。 如下图所示,我们可以看到使用 […]

CFD 仿真中如何设定流体压力

2016年 12月 30日

众所周知,在 CFD 仿真中常涉及两种压力:绝对压力和相对压力。通过实验测量流体中压力的方法有许多种。在建立 CFD 模型时,正确地设定压力对定义边界条件和定义材料特性非常重要。 今天,我们将解释相对压力和绝对压力之间的区别,讨论 COMSOL Multiphysics® 软件为什么使用相对压力求解 CFD 问题,以及在模拟中什么时候使用不同定义的压力。 绝对压力和相对压力有什么区别? 在流体力学中,压力是指流体中单位面积表面上所承受的力。使用 COMSOL Multiphysics,我们可以通过求解流体流动的控制方程,纳维-斯托克斯方程,从而确定描述流动的速度和压力场。 CFD 问题中涉及的压力,通常主要有两种:绝对压力和相对压力。 绝对压力 绝对压力是指以绝对真空为基准直接测量的压力,即流体的真实压力。例如,如果我们使用气压计测量某一日的室外压力,会看到气压计的绝对读数大约为 1 个大气压或 101.325kPa,该值与海平面上的大气压相等。绝对压力为零代表真空。 使用气压计测量从 950mbar 到 1050mbar 的室外压力(1 mbar = 100 Pa)。图片来自 Langspeed,通过Wikimedia Commons在CC BY-SA 3.0下获得许可。 相对压力 相对压力是指相对于参考压力的流体压力。表压力是相对于环境压力测得的压力,即以环境压力为参考的相对压力。通常,相对压力用于表征封闭系统中的压力水平。我们可以使用压力表测量相对压力,以将内部压力与周围压力相关联。 压力表,在压力控制站测量相对压力。注意刻度盘如何从零开始,零刻度代表系统压力等于参考压力水平。图片由 Holmium 提供-自己的作品。通过Wikimedia Commons在CC BY-SA 3.0下获得许可。 绝对压力和相对压力的关系可表示如下: PA=p+pref 如果使用真空作为参考压力,则绝对压力和相对压力相等。大多数情况下,参考压力设置为大气压,通常是环境压力。 接下来,我们来看一下如何在 COMSOL Multiphysics 中描述这些压力定义。当我们计算一个流体流动问题的解时,COMSOL® 软件首先会求解速度分量(u,v,w)和相对压力(p)。在后文中,我们将解释,通过使用相对压力(而不是绝对压力)作为因变量,可以在建模中提高压力描述的准确性。然后,我们可以使用相对压力值作为模型的初始值和边界条件,下面,我们将举例说明。 在 COMSOL Multiphysics® 中表征流体压力 我们来看一个如何在 COMSOL Multiphysics 模型中恰当地将相对压力和绝对压力作为变量的示例。为了演示这些概念,我们使用一个简单的模型来说明。在模型中,空气以 1m/s 的入口速度流入通道并流出到绝对压力为 1 个大气压的环境中。除了我们假设两个对称的短入口段外,模型顶部和底部的边界均为无滑移通道壁。设置入口段是为了避免不一致的边界条件。(如果我们在防滑边界附近定义一个笔直的入口速度曲线,就会出现不一致的边界条件。) 有空气流通的通道示意图。 在此模型中,相对压力的变量名称为 p,绝对压力的变量名称为 spf.pA。在层流 接口的设置中,我们看到要求解的因变量是速度分量(u,v,w)和相对压力(p)。 因变量设置窗口。 在下图中,我们可以看到,参考压力水平默认设置为 1[atm]。该参考压力水平用于计算绝对压力:spf.pA = p + spf.pref。 我们还将可压缩性设置为弱可压缩流,这意味着空气的密度取决于温度和参考压力。要了解不同可压缩性设置的更多信息,请参阅上一篇博客文章。 可压缩性和参考压力设置。 现在,我们可以指定边界条件。在入口处,将法向速度设置为 1m/s。对于初始条件和出口边界条件,由于使用默认设置,因此需要输入相对压力。即,使用一个参考压力。当加上出口条件时,我们看到相对压力的默认值为 p=0,相当于绝对压力等于默认的参考压力为 […]

如何在多体动力学模型中评估齿轮啮合刚度

2016年 12月 9日

在对传动系统进行噪声、振动和粗糙度(NVH)分析时,齿轮啮合的弹性对结果起着至关重要的作用。COMSOL Multiphysics® 软件中的新特征和功能能够准确地评估齿轮啮合刚度,从而可以帮助我们创建一个精确的齿轮模型。

在 COMSOL Multiphysics® 中高效模拟天线

2016年 10月 31日

在天线建模过程中,为了保持效率和准确性,我们应该从简单的几何形状开始模拟,然后逐渐添加更多复杂的功能。最终的模拟需要包括足够的细节,以准确表达我们的设计,同时删除那些增加计算成本的、不必要的单元。

如何使用仿真 App 自动进行电机绕组设计

2016年 10月 26日

为了在电机中自动化缠绕设计,您可以结合选择的力量和 Application Builder。请看这里。

通过仿真 App 了解 FitzHugh-Nagumo 模型的动力学原理

2016年 10月 7日

1961 年,R. Fitzhugh (参考文献1 ) 和 J. Nagumo 提出了一个模型,用于模拟在生物体的可兴奋细胞中观察到的电流信号。这个被称为数学神经科学的 FitzHugh-Nagumo (FN) 模型,是 Hodgkin-Huxley (HH) 模型(参考文献2)的简化版本,该模型显示了神经元中的尖峰电流。在今天的博客文章中,我们将通过在 COMSOL Multiphysics® 软件中构建交互式 App 来检查 FN 模型的动力学。 神经细胞的动作电位 神经细胞通过脂质双层膜与细胞外区域分开。当细胞不传导信号时,跨膜的电位差约为 -70mV。这种差异被称为细胞的静息电位。细胞内部的矿物质离子,如钠和钾,以及带负电的蛋白质离子,维持静息电位。当细胞受到外部刺激时,它的电位会急剧上升到一个正值,这个过程被称为去极化。然后再次下降到静息电位,称为复极化。 细胞的动作电位图。 在一个示例中,细胞外区域的静止钠离子浓度比细胞内的高得多。这种膜包含有选择性地允许离子通过它们的门控通道。当细胞受到刺激时,钠通道打开,钠离子涌入细胞。这种钠“电流”提高了细胞的电位,导致去极化。然而,由于通道门是电压驱动的,钠通道门会在一段时间后关闭。然后钾通道打开,钾离子流出,导致细胞复极化。 Hodgkin 和 Huxley 通过数学方程解释了产生这种动作电位的机理(参考文献2)。虽然这在生物现象的数学建模方面取得了巨大的成功,但完整的 Hodgkin-Huxley  模型却相当复杂。另一方面,FitzHugh-Nagumo 模型相对简单,参数较少,只有两个方程。一个是模拟动作电位的量 V,另一个是调制 V 的变量 W。 今天,我们将重点讨论 FN 模型,以后将讨论 HH 模型。 定义 FitzHugh-Nagumo 模型 FN 模型中的两个方程是 \frac{dV}{dt} &=& V-V^3/3-W + I \label{FN1} 和 \frac{dW}{dt} &=& \epsilon(V+a-bW). \label{FN2} 参数 I 相当于一个激励,a 和 b 是模型的控制参数。由于参数 ε 乘以第二个方程右边的所有项,W 的演化比 V 的演化要慢。FN 模型方程的平衡点是以下方程组的解: V-V^3/3-W + I &=& 0 \label{FN3} 和 V+a-bW &=& 0. \label{FN4} […]

如何在 COMSOL Multiphysics 中实现傅立叶变换

2016年 5月 30日

在之前的博客文章中,我们讨论了如何模拟聚焦激光束用于全息数据存储。在具体的示例中,通过对透镜入口处的电磁场振幅进行傅立叶变换得到由傅立叶透镜聚焦的电磁波。


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