آموزش کامسول تجزیه و تحلیل حالت برای موجبرهای الکترومغناطیسی

آموزش کامسول تجزیه و تحلیل حالت یک ابزار ضروری در محاسبات فرکانس رادیویی و اپتیک موج است زیرا به شما امکان می دهد ویژگی های حالت را در ساختارهای موجبر پیچیده بررسی کنید. در این پست وبلاگ، مقدمه ای برای تجزیه و تحلیل حالت ارائه خواهم کرد و رابط های فیزیک، مراحل مطالعه و تنظیمات پس پردازشی را که برای انجام این نوع مطالعه در نرم افزار COMSOL Multiphysics نیاز دارید، خلاصه می کنم. سپس چندین نمونه از تحلیل حالت خالص را نشان خواهم داد. در نهایت، نحوه استفاده از نتایج را برای محاسبات بیشتر سیستم های RF پیچیده و موجبر نوری توضیح خواهم داد.

آموزش کامسول تحلیل حالت چیست؟

هنگام تجزیه و تحلیل یک ساختار موجبر سه بعدی دلخواه، مهم است که بفهمیم کدام نوع از امواج الکترومغناطیسی مجاز به انتشار در یک فرکانس معین هستند. این رژیم های موج توسط حالت های تشدید تعیین می شوند، که می توانند در مقطع عرضی 2 بعدی یک موجبر تحریک شوند. چنین حالت هایی را می توان به طور کامل با ثابت های انتشار با ارزش پیچیده جهانی و توزیع فضایی هر سه جزء میدان الکتریکی (به اصطلاح اشکال مد) توصیف کرد. رژیم های انتقال در موجبرهای با سطح مقطع ثابت را می توان به طور کامل بر اساس این ویژگی های الکترومغناطیسی تعریف کرد. همچنین می‌توانیم از این اطلاعات برای مطالعات حوزه فرکانس ویژگی‌های پراکندگی در ساختارهای پیچیده‌تر استفاده کنیم.

راه‌حل‌های تحلیلی شناخته‌شده تنها برای برخی از طرح‌های RF، مانند خطوط کواکسیال و موجبرهای توخالی با مقطع مستطیلی یا دایره‌ای در دسترس هستند. برای هر پیکربندی دیگر با شکل دلخواه و ترکیب مواد – از جمله تمام فیبرهای نوری معمولی و موجبرهای یکپارچه – لازم است از تحلیل حالت عددی استفاده شود. شکل 1 فرمول تحلیل حالت عددی را در بخش Equation پنجره تنظیمات نشان می دهد. برای انجام تجزیه و تحلیل حالت، باید فرکانس مشخصی را برای میدان های الکتریکی به معادله هلمهولتز متصل کنید و سپس به دنبال راه حلی به شکل موجی باشید که در جهت خارج از صفحه حرکت می کند. برای این منظور می‌توانید از روش اجزای محدود
(FEM)  و حل‌کننده مقدار ویژه استفاده کنید.
چگونه مدل خود را برای تجزیه و تحلیل حالت تنظیم کنید
هندسه و تنظیمات مواد
هنگام تنظیم یک مدل برای تحلیل حالت، ابتدا باید مقاطع عرضی یک سازه موجبر بسازید. شما می توانید آن را مستقیماً به صورت دو بعدی بسازید یا می توانید یک مدل سه بعدی را با استفاده از عملیات مقطع عرضی کاهش دهید.

سپس، می توانید خواص مواد را مشخص کرده و آنها را به قسمت های مربوط به هندسه اختصاص دهید. برای مدل‌های فرکانس رادیویی، معمولاً به رسانایی الکتریکی، گذردهی نسبی و نفوذپذیری نسبی نیاز دارید. برای مدل های اپتیک موج، معمولاً به ضریب شکست نیاز دارید. COMSOL به طور خودکار داده های مادی را از یک نمایش به نمایش دیگر تبدیل می کند.

استفاده از رسانایی غیرصفر، گذردهی نسبی با ارزش پیچیده و ضریب شکست با ارزش پیچیده، میرایی را در مدل معرفی می کند که می توانید در پس پردازش مشاهده کنید.

آموزش comsol تنظیمات فیزیک

هدف یافتن موجی است که در جهت خارج از صفحه منتشر می شود. برای انجام این کار با استفاده از رابط فیزیک امواج الکترومغناطیسی، دامنه فرکانس به صورت دو بعدی، پنجره تنظیمات رابط فیزیک را باز کنید و مطمئن شوید که گزینه سه جزء بردار در قسمت Component انتخاب شده است.

تجزیه و تحلیل حالت یک مطالعه ارزش ویژه است، بنابراین نیازی به استفاده از شرایط منبع نیست. با این حال، شما همچنان باید شرایط مرزی مناسبی را تعریف کنید زیرا آنها بر شکل حالت و میرایی و نشتی حالت تأثیر می‌گذارند. توجه داشته باشید که مرزهای خارجی می توانند فلزی یا باز باشند. اگر با مرزهای متالایز کار می‌کنید، می‌توانید از حالت پیش‌فرض Perfect Electric Condictor یا Impedance Boundary Condition استفاده کنید. برای توصیف مرزهای باز، می توانید از شرط مرزی پراکندگی یا یک لایه کاملاً منطبق استفاده کنید.

آموزش کامسول تنظیمات پیش‌فرض برای شرایط مرزی پراکندگی و یک لایه کاملاً منطبق در شرایطی که موج الکترومغناطیسی در جهت عادی به سمت مرز حرکت می‌کند، به خوبی کار می‌کنند. چنین تنظیمات پیش‌فرض برای تحلیل حالت بهینه نیستند زیرا بردار موج مورد نظر از ثابت انتشار تشکیل شده است که به صورت مماس به مرز هدایت می‌شود و یک جزء نرمال باقی‌مانده. باید به صورت دستی تنظیمات طول موج موثر را در ویژگی لایه کاملاً منطبق تغییر دهید یا تیک چک باکس Subtract proagation ثابت از عدد موج ماده را در بخش Mode Analysis در پنجره تنظیمات برای شرایط مرزی پراکندگی فعال کنید. همچنین میتوانید آموزش آنلاین داشته باشید.

مش و تنظیمات مطالعه

گونه ای از تنظیمات مطالعه تحلیل حالت برای مسائل الکترومغناطیسی در شکل 3 در زیر نشان داده شده است. به طور پیش فرض، تبدیل شاخص حالت موثر انتخاب شده است که معمولاً بهترین انتخاب برای امواج الکترومغناطیسی است. با چنین تبدیلی، می توانید فرض کنید که به اصطلاح شاخص موثر مد (یا ضریب شکست موثر) به عنوان یک مشخصه اعلامی مد استفاده می شود.