电磁波的频段划分，频域内电磁波仿真所使用多种域和边界条件

很多朋友对电磁波的频段划分，频域内电磁波仿真所使用多种域和边界条件不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

在上一篇文章中，我们讨论了频域电磁波模拟中使用的各种域和边界条件，以及模拟、网格生成和求解的选项。本文将把这些信息串联起来，对射频模块和“波动光学”模块中可以解决的各种问题进行简要介绍。电磁波在什么条件下适合频域模拟？只要求解的模拟问题涉及麦克斯韦方程，并满足以下假设：所有材料性质相对于场强保持不变。

当场在一个已知的频率下或在一个已知的频率范围内随时间作正弦变化时，我们可以把这个问题看作一个频域问题。当电磁场的解是波浪形时，即当问题是谐振结构或辐射结构时，或当问题中的有效波长与研究对象的大小相当时，可将问题视为电磁波问题。

COMSOL Multiphysics有专门针对这类模拟——电磁波的物理场接口，频域接口。这个接口位于射频模块和“波动光学”模块，用有限元法求解麦克斯韦方程的频域形式。下图是何时使用该界面的指南：

当物体的大小在/100到10之间时，电磁波模拟方法是有效的，与绝对频率无关。如果物体的大小小于这个范围的下限，则适用于“低频”条件。在低频下，物体的结构将不是天线或谐振结构。如果要在低频条件下创建模型，可以使用几种不同的模块和接口。详情请参考本文。

约10的上限来自于求解大型3D模型的内存需求。如果每个方向上模拟域的大小大于~10，对应域大小为(10) 3或1000立方米的波长，则需要巨大的计算资源来求解模型。更多详情，请阅读上一篇文章。另一方面，二维模型需要更少的内存，但它可以解决更大的问题。当被模拟物体的尺寸远大于波长时，我们有两种选择：

如果射束传播方向的变化相对慢于横向上模拟器件的结构(和电磁场大小)的变化，则射束包络公式是合适的。更多详情，请阅读本文。“光线光学”模块中的公式将光视为光线而非波。在上图中，射线和波的两种形式之间有很大的重叠区域。要查看光线光学方法的介绍，请参考我们的光线光学介绍模块。

如果达到X射线频率和更高的频率，电磁波将与材料的原子晶格相互作用，并从原子晶格散射。电磁波法不适合模拟这种散射，因为这种方法假设每个模拟域内的物质可以看作一个连续体。

COMSOL Multiphysics在频域可以解决哪些类型的电磁波问题？现在我们已经了解了电磁波的含义，可以进一步划分电磁波和频域接口最常见的应用领域，同时讨论几个使用实例。我们只选择了几个有代表性的例子作为学习这个软件的良好开端。这些应用程序选自射频模块的内置和在线应用程序库以及“波动光学”模块的内置和在线应用程序库。

天线天线是指任何用于传输信号(有时是电能)和辐射电磁波的设备。构造天线有无数种方法，但最简单的一种是偶极天线。然而，贴片天线更小，使用更广泛。要了解的物理量包括S参数，天线阻抗，损耗和远场图，辐射场与任何周围结构的相互作用。请参考汽车挡风玻璃的天线效应在线束上的教程模型。

波导和传输线天线辐射到自由空间，而波导和传输线引导电磁波沿着预定的路径传播。我们可以计算传输线的阻抗，以及微波波导和光波导的传播常数和S参数。

谐振腔是一种旨在将特定频率的电磁能量储存到一个小空间中的结构，它不传递能量。这种结构可以是封闭的腔，例如金属封闭物，或者是开放的结构，例如RF线圈或阿布瑞-珀罗腔。要理解的物理量包括谐振频率和q因子。

耦合器和滤波器从概念上讲，波导和谐振结构的结合产生了耦合器或滤波器。滤波器的作用是阻止或允许特定频率在某一结构中传播，耦合器的作用是允许特定频率从一个波导传播到另一个波导。最简单的微波滤波器是由一系列矩形空腔连接而成的结构。请参考波导虹膜带通滤波器的教程模型。

散射问题散射问题可以看作是天线问题的逆问题。物体模拟的背景场来自模拟域之外的外部源，而不是从物体中寻找辐射场。计算了物体发射的电磁波的远场散射。详情请参考标准情况计算理想导体球的雷达截面。

周期结构如果某些电磁问题的结构可以假设为准无限的，那么它的复杂性就会大大简化。比如在计算光子晶体的频带结构时，可以考虑单胞晶体。也可以分析在一个或两个方向上具有周期性的结构，例如光栅和频率选择表面，以了解它们的反射和传播。

只要辐射传递大量能量，任何与电磁波相互作用的物体都会发热。厨房里的微波炉是模拟电磁场和热传递耦合的完美例子。另一个很好的例子是射频加热，其中考虑了瞬态温升和材料特性随温度的变化。

铁磁设备对铁磁材料施加较大的DC偏置，会使其相对磁导率在较小的交变磁场中出现各向异性(相对于DC偏置)。这种材料可用于微波循环器。这种材料的非互易性可以在孤立中发挥作用。

频率域模拟电磁波的总结现在你已经大致了解了射频模块和“波动光学”模块在解决频率域电磁波问题中的作用和应用。上面列出的案例和应用程序库中的其他案例是学习使用该软件的良好起点。这些案例附有说明文档和分步模拟指南。

请注意，射频模块和波动光学模块中还有其他函数和公式没有在本文中提及，包括瞬态电磁波接口，用于模拟材料的非线性(如二次谐波产生)，模拟信号的传播时间。此外，射频模块还包括电路仿真工具，用于连接系统的有限元模型和电路模型，以及可以模拟传输线方程的接口。

在你继续学习COMSOL Multiphysics和电磁波模拟的同时，也请阅读其他文章：网格生成和求解选项；可用的多种材料模型；它用于模拟金属物体、波导端口和开放边界的边界条件。这些文章提供了很多基础知识，可以让你自信的模拟电磁波问题。

以上知识分享希望能够帮助到大家！