如何在仿真模型中耦合輻射天線和（hé）接收天線

本文為高（gāo）頻電磁場多尺度建（jiàn）模係列（liè）文章（zhāng）的第3部分，將重點介紹接收天線。www.17C.com已經在第 1 部分（fèn）介紹了理論和定義，在第 2 部分（fèn）中介紹了輻（fú）射天線。今天（tiān），www.17C.com將在文中耦合某（mǒu）一處的輻射天（tiān）線與 1000λ 以外的接收天線。為了驗證，www.17C.com將計算通過視距傳輸的接收功率，並將其與第 1 部（bù）分中討論的 Friis transmission line equation（弗（fú）裏斯傳輸線方程）進行比較。

背景場仿真

在接收天線（xiàn）的仿真中，www.17C.com將（jiāng）使用 散（sàn）射場 公式。當物體存在於一個已知場時，例（lì）如在雷達散射截麵（RCS）仿真中（zhōng），此公式非常有用。由於 COMSOL 案（àn）例庫中有許多散射場仿真，並且www.17C.com在之前（qián）的文（wén）章中（zhōng）（點擊鏈接查看）已進行了討論，因此這裏假定您已經熟悉此項技（jì）術。如果您（nín）對散射場公式不熟悉，那麽建議（yì）閱讀這些資（zī）源。散射場公式對於計算雷達截麵很有用。在比較實現（xiàn）時，www.17C.com將在此（cǐ）處使用案（àn）例庫中的散射示例，有兩個區別需要明確指出。首先，與散射示例不（bú）同，www.17C.com將使用帶有集總端口的接收天線。將集總（zǒng）端口 激（jī）勵設置為關閉 時，它將從背景場接收功率。這是在（zài）預定義變量中自動計算的，並且由於（yú）功率將變為集總（zǒng）功率，因（yīn）此該值將為負。第二個區別是www.17C.com將重點討論的，即（jí）接收天線與發（fā）射天線將在單獨的組件中，並且www.17C.com必須參考另（lìng）一個組件中的結果來鏈接它們。

同一（yī）模型中的多個（gè）組件

當模型中有兩個或多個組件時（shí），這（zhè）意味著（zhe）什麽？一個組件的定義特征是（shì）它具（jù）有自己的幾何形狀和空間維度。如果您希望在同一模型中（zhōng）包含 2 維軸對稱幾何和 3 維幾何，則它們需要各自的組件。如果您想在同一模型中進行兩個（gè） 3 維仿真，則隻需要一個組件，盡管在某些情況下將它們分開還是有好處的。例如，假設您有兩個幾何形狀相對複雜的設備。如果它們在同一個組件中（zhōng），則無論何時更改其中一個的幾何形狀，都需（xū）要（yào）同時對（duì）兩個重建（並剖分網（wǎng）格）。在（zài）單獨的組件中（zhōng）情（qíng）況並非如此。多個組件的另一個常見用途是子模型化，其中（zhōng）首（shǒu）先（xiān）分析宏觀結（jié）構，然後在模型（xíng）的較小（xiǎo）區域進（jìn）行更詳細的分析。但是，當www.17C.com分成幾（jǐ）個部分時，www.17C.com需要在仿真（zhēn）之間鏈接結果。在本（běn）文的示例（lì）中，有兩個距離為 1000λ 的天線。將它們分成（chéng）不同的組件並不是嚴格的需（xū）求，但是無論如何www.17C.com都要這樣做以保持通用（yòng）性。www.17C.com將在本係列的後麵部分中添加光線（xiàn）追蹤，一些用戶可能會發現這種多組件方法對於任意複雜（zá）的光線追蹤幾何體很有用。當www.17C.com仔（zǎi）細研究細節時（shí），重要的是要有一個（gè）清晰的全局圖。本篇文章www.17C.com（men）的主要思想（xiǎng）是：首（shǒu）先，模擬（nǐ）發射天線（xiàn）並計算特（tè）定方向的輻射場。具體來說，就是接收天線的方向；然後，考慮天線之間的距離，並在接收天線的散射（shè）場 公式中將計算出的場用作背（bèi）景（jǐng）場。發射（shè）天線以組件1的（de）原點為中心（xīn），接收天線以（yǐ）組件2的原點為中心。www.17C.com這裏要討論的隻是簡單的技術細（xì）節，即根（gēn）據第一次仿真確定發射場並（bìng）在第二個模擬中將其（qí）用作（zuò）背景場。
注意：絕大多數 COMSOL Multiphysics® 軟件模型隻有一個組件（jiàn），並且應該 隻有一個組件。在（zài）實現它們之前（qián），請確保您確實需要在模型中模擬多個組件，因為這很可能（néng）會導致額外的工作而沒有實際利（lì）益。

使用耦合算子連接組件

COMSOL Multiphysics 中提供了許多耦（ǒu）合算子，也稱為組件耦（ǒu）合。一般而言，這些算（suàn）子會將結（jié）果從一個空間位置映射到另一個（gè）空間位置。換句話說，您可以在一個位（wèi）置（目標）調用結果，而（ér）在另一個位置（源）評估結果。乍看這項技術似乎微不足道，但其實這是一種非常強大且通用（yòng）的技術。讓www.17C.com來看一些具體的例子：
1. www.17C.com可（kě）以在3維域中評估變量的最大值或最小值（zhí），且（qiě）可以全局調（diào）用該結果。這是（shì） 3 維到 0 維的映射，並允許www.17C.com創（chuàng）建溫度控製器。請注意，這也可以與邊界或邊緣以及平均值或空間積分一起使用。
2. www.17C.com可以將（jiāng）2維（wéi）模擬結（jié）果擴（kuò）展到 3 維域。這使您可以在（zài）一種物理（lǐ）場（2 維）中利（lì）用平移對稱性（xìng），並將結果用於更複雜的 3 維模型中。
3. www.17C.com可以（yǐ）將3維數據投影到 2 維邊界（或（huò） 2 維到 1 維邊（biān）界（jiè）等）上。一個簡單的示例（lì）是在牆上創建皮（pí）影，並且這對於分析截麵的平（píng）均值也很有用。
如上所述，www.17C.com想（xiǎng）要模擬發射天線（就像我（wǒ）們在本係列文章的第 2 部分中所做的一樣）並想計算 1000λ 處的輻射場。使用（yòng）組件耦合將場映射為以組件2中的原點為中（zhōng）心（xīn）。

繪（huì）製輻射場

如果（guǒ）www.17C.com看一下第 2 部分中討論的遠（yuǎn）場評估，就可以（yǐ）知道（dào）特定位置的遠場的 x 分量是唯一的問題是www.17C.com需要確定在哪裏（lǐ）計算散射幅度。這是因（yīn）為組件耦合需要源和目標為（wéi）幾何中存在的位置。www.17C.com不想（xiǎng）在組件 1 中將接收天線的實際位置定（dìng）義為一個球體，因為這樣會破壞www.17C.com將兩個天線分為兩個組（zǔ）件的目的。相反，www.17C.com要做的是為 r 的（de）大（dà）小創建一個變量，然（rán）後在共享相同角坐標的幾何體中的某個點上評估散射幅度，這才是www.17C.com實際想評估的點（diǎn）。下圖顯示了www.17C.com想評（píng）估散射幅度（dù）的點。
該圖顯示（shì）了應該在哪裏計算（suàn）散射幅度以及如何確定該（gāi）點的坐標。

定義點和（hé）耦合算子

使（shǐ）用上圖所示的按比例（lì）縮放的笛卡爾坐標為幾何圖形添加一個點（diǎn）。圖中僅顯示了 x，但是對 y 和 z 也應用了相同的縮（suō）放比例。下圖所示（shì）為如何在 COMSOL Multiphysics 中（zhōng）實（shí）現這些操作。假設接收天線位於（1000λ，0，0）的中心（xīn），並（bìng）且使用（yòng）的兩個參數是 ant_dist =  和 sim_r = 。
正確的散射幅度評估所需的（de）點。請注意，www.17C.com從這一個點開（kāi）始創建選擇組。這樣可以毫無差錯地引用它。然後，www.17C.com將此選擇用於積分算子。由於www.17C.com僅在單個點（diǎn）上進行（háng）積分，因（yīn）此與在Dirac delta 函數中類似，www.17C.com隻需要在（zài）該點上返（fǎn）回被積分數的值即可。
使用選擇組為（wéi）評估點定義（yì）的積分算子。

在 COMSOL Multiphysics® 中運行背景場仿真

上麵的討論都是關於如何（hé）評估（gū）正確位置的散（sàn）射（shè）幅度。剩餘的唯一步（bù）驟就是在第 1 部分中討論的半波長偶極（jí）子的背景場仿（fǎng）真中使用它。當www.17C.com將天線之間的已知距離相加時，將得到以下（xià）結果：
r 的變量定義。請（qǐng）注意，這是在組件 2 中定義的（de）。
背景場（chǎng）設（shè）置。在設置中，www.17C.com看到x中（zhōng）用於背景場的表達式（shì）為comp1.intop1(emw.Efarx)*exp(-j*k*r)/(r/1[m])與上述引用的方程式匹配。還要注意的是（shì），r 在組件 2 中定義，而 intop1() 在組件 1 中（zhōng）定（dìng）義。由於www.17C.com從組件 2 內調用，因此需要為（wéi）耦（ǒu）合算子 comp1.intop1() 包括正確的作用域。其餘的接收天（tiān）線仿真在功能上（shàng）與案例庫中的其（qí）他（tā）散射場 仿真等效，因此在此www.17C.com將不進行（háng）詳細介紹。有趣（qù）的是，單獨運行發射或背景場仿真非常簡單。該（gāi）過程的（de）所有複雜之處（chù）在於正確計算組件 1 中的場並將（jiāng）其用於組（zǔ）件 2 中。所有這些繁重的工作都得到了回報（bào），因為www.17C.com現在可以在天線到天線仿真中完全仿（fǎng）真接（jiē）收到的功率，仿真功率與 Friis 傳輸線（xiàn）方程的吻合度極好（hǎo）。由於www.17C.com對空間中每（měi）個點的（de）電磁場都（dōu）有全麵的了解，因此從模擬中獲得的信息比單純從 Friis 方程中獲（huò）得的信息還要多。值得一提的最後一點是，www.17C.com僅（jǐn）評（píng）估了單個點的遠（yuǎn）場，因此在接收天線的場中不存在角度依賴性。因為www.17C.com對通常相距較遠的天線感興趣，所以這是一個有效的近似值，盡管我（wǒ）們（men）將在第 4 部分中討論更加通用的實現。

結語

現在，www.17C.com已經達到了該文章係（xì）列的主要基準。在（zài）討論了第1部分中的術語和第 2 部分中的發射天線之後，www.17C.com現在可以將輻（fú）射天線鏈接到（dào）接（jiē）收天線，並根據已知參考文獻驗證www.17C.com的結果。由於www.17C.com（men）已完全求解了電磁場，並且自動求解了任何極化不匹配的問（wèn）題，因此在此處實現的方法比 Friis 方程更有用。但是，還有一個尚未討論的問題。此處使用的方法僅適用於通過均勻介質的視（shì）距傳輸。如果天線或多徑傳輸之間存在不均（jun1）勻的（de）介質，則無法通過（guò）此技術或（huò） Friis 方程適當求解。為了求解該問題，www.17C.com需要使用射線追蹤來鏈接發（fā）射和接收天線。在本係列文章的第4部分中，www.17C.com將向您展示如何將輻射源鏈接到射線光學仿真。