Обновления модуля Волновая оптика

Для пользователей модуля Волновая оптика в пакете COMSOL Multiphysics® версии 5.4 предлагаются дополнительные граничные условия для интерфейса Electromagnetic Waves, Beam Envelopes (Электромагнитные волны, огибающая пучка) для моделирования тонких диэлектрических слоев, антиотражающих покрытий и зеркальных поверхностей. Ознакомиться со всеми обновлениями модуля Волновая оптика можно ниже.

Переходное граничное условие (Transition Boundary Condition)

Новая функция Transition Boundary Condition для интерфейса Electromagnetic Waves, Beam Envelopes (Электромагнитные волны, огибающая пучка) позволяет моделировать электрически тонкие слои без необходимости задавать тонкий домен и соответствующую сетку на нем. Доступно два варианта выбора направления распространения. Первый вариант по умолчанию — Normal direction (По нормали) — подходит для моделирования тонких металлических слоев играющих роль зеркальной поверхности. Второй вариант — From wave vector (На основе волнового вектора) — применяется для тонких диэлектрических слоев, например, для антиотражающих покрытий. С новым функционалом можно ознакомиться в модели Делитель пучка.

Модель Beam Splitter (Делитель пучка) в пакете COMSOL Multiphysics версии 5.4.

Гауссов пучок падает с левой границы, частично отражается и частично проходит через диагональный тонкий металлический слой, реализованный в модели через ГУ Transition Boundary Condition (Переходное граничное условие). Направление распространения установлено как Normal direction (По нормали).

Гауссов пучок падает с левой границы, частично отражается и частично проходит через диагональный тонкий металлический слой, реализованный в модели через ГУ Transition Boundary Condition (Переходное граничное условие). Направление распространения установлено как Normal direction (По нормали).

Импдансное граничное условие (Impedance Boundary Condition)

Новое граничное условие Impedance Boundary Condition для интерфейса Electromagnetic Waves, Beam Envelopes (Электромагнитные волны, огибающая пучка) позволяет проводить усечение области моделирования на границе раздела между двумя областями из различных материалов. Есть два варианта выбора направления распространения. Первый вариант по умолчанию — Normal direction (По нормали) — полезен для внешних высокопроводящих материалов, таких как металлы. Второй вариант — From wave vector (На основе волнового вектора) — применяется для внешних диэлектрических слоев, таких как стеклянные подложки. С данным функционалом можно ознакомиться в модели Уравнения Френеля.

Модель Fresnel Equations (Уравнения Френеля) в пакете COMSOL Multiphysics версии 5.4.

Плоская волна падает под углом к стеклянной подложке, отражаясь на границе между воздушным и стеклянным слоями. Область стекла заменяется Импедансным граничным условием (Impedance Boundary Condition). Направление распространения задается через опцию From wave vector (На основе волнового вектора).

Плоская волна падает под углом к стеклянной подложке, отражаясь на границе между воздушным и стеклянным слоями. Область стекла заменяется Импедансным граничным условием (Impedance Boundary Condition). Направление распространения задается через опцию From wave vector (На основе волнового вектора).

Slit-порты

Slit-порт используется на внутренней границе и предназдначен для возбуждения волны определенной формы и, в то же время, для поглощения рассеянных волн, соответствующих заданной моде для данного порта. Существует два основных способа использования. В первом варианте за Slit-портом размещают идеально согласованный слой (PML), который поглощает оставшуюся часть рассеянного излучения (не поглощенную портом). Такая опция называется (PML) Domain-backed. Во втором варианте за Slit-портом расположено граничное условие Perfect Electric Conductor (Идеальный электрический проводник). Такая опция называется PEC-backed.

Порты с опцией (PML) Domain-backed будут полезны при распространении в области гауссова пучка, поскольку отраженный гауссов пучок не будет полностью поглощен обычным портом, и дополнительно необходим PML для реализации полного поглощения. Работу описанных типов портов демонстрирует изображение и комментарии ниже. Как показано на втором изображении ниже, для использования граничного условия Port (Порт) на внутренней границе необходимо активировать опцию Activate slit condition on interior port (Активировать Slit-условие для порта на внутренней границе) в окне Settings.

Модель с использованием Slit-порта с PML на тыльной стороне. Slit-порт - Волновой порта внутри геометрии - с PML на тыльной стороне (опция domain-backed) используется слева для возбуждения гауссова пучка. Справа находится приемный Slit-порт c аналогичной выбранной опцией. Большая часть излучения поглощается портами, а оставшееся излучение поглощается в идеально поглощающих слоях (PML). Slit-порт - Волновой порта внутри геометрии - с PML на тыльной стороне (опция domain-backed) используется слева для возбуждения гауссова пучка. Справа находится приемный Slit-порт c аналогичной выбранной опцией. Большая часть излучения поглощается портами, а оставшееся излучение поглощается в идеально поглощающих слоях (PML).

Однонаправленные мультифизические связки

Для мультифизических моделей с электромагнитным нагревом, таких как Laser Heating (Лазерный нагрев) в модуле Волновая оптика или Microwave Heating (Микроволновый нагрев) в модуле Радиочастоты, теперь доступны две новые последовательности исследований. В ходе исследования Sequential Frequency-Stationary сначала решается уравнение для электромагнитных явлений в частотной области, а затем расчитанные потери - источник электромагнитного нагрева - используются как источник тепла при стационарном расчете теплопередачи. В исследовании Sequential Frequency-Transient сначала решается уравнение для электромагнитных явлений в частотной области, а затем расчитанные потери - источник электромагнитного нагрева - используются как источник тепла в нестационарном уравнении теплопередачи. Для данных последовательностей предполагается, что в электромагнитное исследовании нет зависимостей от расчетного распределения температуры. Если можно сделать это упрощающее предположение, последовательное решение двух отдельных физических задач требует меньше вычислительных ресурсов.

Познакомиться данным функционалом можно в следующих моделях:

Полностью анизотропный показатель преломления

В выпадающем списке Electric displacement field model (Модель поля электрического смещения) при выборе опции Refractive index (Показатель преломления) для настроек модели волнового уравнения, в качестве входных данных теперь можно ввести полностью анизотропный тензор. Для преобразования этого тензора показателя преломления в тензор относительной диэлектрической проницаемости используется матричное перемножение.

Дополнительные граничные условия на внутренних границах в Time Explicit интерфейсах

Условия Идеальный электрический проводник (Perfect electric conductor), идеальный магнитный проводник (Perfect magnetic conductor) и плотность поверхностного тока (Surface current density) теперь можно применять и на внутренних границах при использовании интерфейса Electromagnetic Waves, Time Explicit (Электромагнитные волны, явный временной решатель).

В графиках по умолчанию теперь используется цветовая схема RainbowLight

Для удобочитаемости черного текста по умолчанию, появляющегося на участках графиков с более низкими числовыми значениями, цветовая схема по умолчанию была изменена на RainbowLight (Радужный светлый).

Сравнение цветовых схем RainbowLight (Радужная светлая) и Rainbow (Радужная).

На левом графике используется цветовая схема RainbowLight (Радужная светлая), тогда как правом графике используется предыдущая цветовая схема по умолчанию Rainbow (Радужная). Черный текст лучше виден поверх цветовой схемы RainbowLight.

На левом графике используется цветовая схема RainbowLight (Радужная светлая), тогда как правом графике используется предыдущая цветовая схема по умолчанию Rainbow (Радужная). Черный текст лучше виден поверх цветовой схемы RainbowLight.

Мультипликатор для эквидистантной антенной решетки

Теперь можно очень быстро рассчитать диаграмму направленности антенной решетки на основе диаграммы направленности одиночной антенны, используя асимптотический подход, который проводит масштабирование дальнего поля для одной антенны на специальный мультипликатор для эквидистантной решетки. Познакомиться с данным функционалом можно в обновленной модели Микрополосковая антенна.

An 8x8 microstrip patch antenna array pattern synthesized from a single microstrip antenna simulation

3D представление данных для дальнего поля и, в частности, эффективной площади отражения (RCS), на основе двухмерных осесимметричных моделей

С помощью нового функционала для расчетов в дальней зоне теперь можно использовать двухмерную осесимметричную модель, чтобы быстро оценить отклик в дальнем поле эквивалентной трехмерной модели. Набор функций для 3D расчетов и представления излучения в дальней зоне на основе двумерных осесимметричных геометрий доступны для следующих ситуаций:

  • Расчет антенн, возбуждение которых задается с использованием круглых портов с положительным азимутальным номером моды
  • Анализ поля рассеяния, возбуждаемого заданной плоской волной с круговой поляризацией

Доступные функции нормы поля в дальней зоне

Описание Название Примеры использования Описание примера
Трехмерная норма поля для дальней зоны norm3DEfar norm3DEfar_TE12 Азимутальная мода №1, круговой порт с ТЕ модой №2
3D норма поля для дальней зоны, дБ normdB3DEfar normdB3DEfar_TM21 Азимутальная мода №2, круговой порт с ТM модой №1

Дополнительные переменные для постобработки данных для дальней зоны

Добавлены новые переменные для вычисления максимальной направленности, коэффициента усиления, а также реального коэффициента усиления. Эти переменные доступны для глобальных вычислений без построения трехмерной диаграммы поля в дальней зоне. Доступ к ним возможен, когда выборка для узла Far-Field Calculation является сферической (в трехмерных моделях) или круговой (в двухмерных осесимметричных моделях), а центр находится в начале координат.

Переменные для постобработки в дальней зоне

Описание Название Доступна при следующей размерности задачи
Максимальная направленность maxD 2D axi, 3D
Максимальная направленность, дБ maxDdB 2D axi, 3D
Максимальный коэффициент усиления maxGain 2D axi, 3D
Максимальный коэффициент усиления, дБ maxGaindB 2D axi, 3D
Максимальный реальный коэффициент усиления maxRGain 2D axi, 3D
Максимальный реальный коэффициент усиления, дБ maxRGaindB 2D axi, 3D

Электрически толстый слой в граничном условии Transition Boundary Condition

Новая опция Electrically thick layer (Электрически толстый слой) разъединяет две области, которые примыкают к Transition Boundary Condition (к переходному граничному условию). Граница ведет себя как внутреннее импедансное условие, но при этом не требуется, чтобы геометрия слоя была областью максимальной размерности, достаточно использовать просто границу.

Опция Electrically thick layer (Электрически толстый слой).

Активация опции Electrically thick layer (Электрически толстый слой) создает виртуальный разрыв между двумя соседними областями по геометрически общей границе.

Активация опции Electrically thick layer (Электрически толстый слой) создает виртуальный разрыв между двумя соседними областями по геометрически общей границе.

Фоновое поле с круговой поляризацией для двухмерных осесимметричных моделей

Опция Circularly polarized plane wave (Плоская волна с круговой поляризацией) теперь доступна для задания рассеянного поля при создании двухмерных осесимметричных СВЧ-моделей. При этом, используя функцию для постобработки типа norm3DEfar, можно рассчитать трехмерные (3D) характеристики в дальней зоне и эффективную площадь рассеяния (RCS) для того же рассеивающего объекта, на который падает линейно поляризованное фоновое излучение.

Представление результатов двухмерной осесимметричной модели в 3D. Трехмерное представление результатов расчета модели в двухмерной осесимметричной постановке. Поле рассеяния, возбуждаемое линейно поляризованным фоновым полем, можно быстро визуализировать и построить в 3D, на основе данных двухмерной осесимметричной модели с фоновым полем круговой поляризации. Трехмерное представление результатов расчета модели в двухмерной осесимметричной постановке. Поле рассеяния, возбуждаемое линейно поляризованным фоновым полем, можно быстро визуализировать и построить в 3D, на основе данных двухмерной осесимметричной модели с фоновым полем круговой поляризации.

Улучшенный пользовательский интерфейс для задания портов

Индикаторы в виде стрелок теперь помогают быстро определить, какие порты являются входными (возбуждают), а какие выходными (снимают сигнал). Стрелка указывает направление потока мощности. Возбуждающий порт обозначается стрелкой, направленной в выбранную для порта границу, а приемный порт показан выходящей из границы стрелкой. Сосредоточенные порты также поддерживают эту функцию визуализации.

Пример задания входного и выходного портов в радиочастотных или оптических моделях. Направление потока энергии на границе излучающего порта в этой модели волноводного фильтра показано красной стрелкой. Направление потока энергии на границе излучающего порта в этой модели волноводного фильтра показано красной стрелкой.

Новые и обновленные учебные модели

Версия 5.4 программного пакета COMSOL Multiphysics® содержит две новые учебные модели и одну обновленную модель для модуля Волновая оптика.