如何在模拟中搭配辐射和接收天线

在我们在高频电磁学中进行多尺度建模系列的第3部分中，让我们将注意力转向接收天线。我们已经介绍了理论和定义第1部分并在第2部分。今天，我们将在一个位置将辐射天线与接收天线1000λ离开。为了进行验证，我们将通过视线传输来计算接收的功率，并将其与第1部分中介绍的Friis传输线方程进行比较。

模拟背景字段

在模拟我们的接收天线时，我们将使用分散的场公式。当您在存在已知领域的情况下，该公式非常有用雷达横截面（RCS）模拟。由于应用程序库中有许多分散的现场模拟，并且已经在以前的博客文章，我们将熟悉这项技术，并鼓励您查看这些资源分散的场配方对您来说是新的。

这分散的场公式对于计算雷达横截面很有用。

在比较实现时，我们将在此处与应用程序库中的散射示例一起使用，需要明确参考两种差异。首先是，与散射示例不同，我们将使用带有总端口的接收天线。将集体端口激发设置为离开，它将从背景字段获得电源。这是在预定义的变量中自动计算的，并且由于功率进入总功率，该值将为负。我们将花费更多时间讨论的第二个差异是，接收天线将与发射天线相比，我们将不得不参考另一个成分的结果以将它们链接起来。

同一模型中的多个组件

当我们在模型中有两个或多个组件时，这是什么意思？组件的定义特征是它具有自己的几何形状和空间维度。如果您想在同一模拟中具有2D轴对称的几何形状和3D几何形状，那么它们每个都需要自己的组件。如果您想在同一模型中进行两个3D模拟，则只需要一个组件，尽管在某些情况下，无论如何它们都可以有益。

例如，假设您有两个带有相对复杂几何形状的设备。如果它们在同一组件中，那么每当您对一个几何更改进行更改时，它们都需要重建（并重新定义）。在单独的组件中，情况并非如此。多个组件的另一个常见用途是子模型，首先分析宏观结构，然后对模型的较小区域进行更详细的分析。但是，当我们分为组件时，我们需要将结果链接在模拟之间。

在我们的情况下，我们有两个天线，距离为1000λ。并不是严格要求将它们分为不同的组件，但是无论如何我们都会这样做以保持一般性。我们将在本系列的后期添加射线跟踪，一些用户可能会发现这种多组件方法可用于任意复杂的射线跟踪几何形状。

当我们详细了解细节时，重要的是要清楚地了解大局。我们在这篇文章中追求的主要思想是，我们首先模拟了发射天线并在特定方向上计算辐射场。具体而言，这是接收天线的方向。然后，我们说明天线之间的距离，并使用计算的字段作为背景字段分散的场接收天线的配方。发射天线以组件1的来源为中心，接收天线的中心位于组件2中的原点。我们将在此处讨论的所有内容只是从第一个模拟中确定发射字段的技术细节，并将其用作背景字段在第二个模拟中。

注意：绝大多数comsolMultiphysics®软件模型仅具有一个组件，只有一个组件应该有一个组件。在实施之前，请确保您在模型中有足够的需求，因为有可能在没有利益的情况下导致自己的额外工作。

与耦合操作员连接组件

comsol多物理学中有许多耦合操作员，也称为组件耦合。一般而言，这些操作员将结果从一个空间位置映射到另一个空间位置。用另一种方式说，您可以在一个位置（目的地）中呼吁结果，但在单独的位置（源）中评估结果。虽然乍看之下似乎很容易，但这是一种令人难以置信的强大和一般技术。让我们看一些具体的例子：

1. 我们可以评估3D域中变量的最大值或最小值，但在全球范围内调用该变量。这是一个3D到0D映射，允许我们创建一个温度控制器。请注意，这也可以与边界或边缘以及平均值或空间集成一起使用。
2. 我们可以将2D模拟结果挤压到3D域。这使您可以利用一种物理学（2D）中的翻译对称性，并在更复杂的3D模型中使用结果。
3. 我们可以将3D数据投影到2D边界（或2d到1d等）的一个简单示例是在墙上创建阴影木偶，但也可用于分析横截面的平均值。

如上所述，我们想模拟发射天线（就像我们在系列的第2部分）并在1000λ的距离处计算辐射场。然后，我们使用一个组件耦合将字段映射到组件2中的原点。

映射辐射场

如果我们查看第2部分中讨论的远场评估，我们知道X- 在特定位置的远场的组成

唯一的并发症是确定在哪里计算散射幅度。这是因为组件耦合需要源和目的地是几何形状中存在的位置。我们不想在接收天线的实际位置在组件1中定义一个球体，因为这打破了将两个天线分为两个组件的整个目的。我们要做的是为大小创建一个变量r，然后评估具有相同角坐标的几何学点的散射幅度，（\ theta，\ phi），作为我们实际感兴趣的观点。在下图中，我们显示了要评估散射幅度的点。

图像显示应计算散射幅度的位置以及如何确定该点的坐标。

定义点和耦合操作员

我们使用上图中所示的笛卡尔坐标的重新缩放为几何形状增加了一个点。图中仅显示X，但也将相同的缩放尺度应用于Y和Z。对于下面显示的comsol多物理实现，我们假设接收天线以（1000λ，0，0）的位置为中心，并且使用的两个参数为ant_dist =| \ vec {r} _1 |和sim_r =| \ vec {r} |。

正确的散射幅度评估所需点。

请注意，我们创建一个选择组从这一点开始。这样就可以在没有歧义的情况下引用它。然后，我们将此选择用于集成运营商。由于我们仅在一个点上集成，因此我们只需返回该点的集成的值，类似于使用Dirac Delta功能。

集成运算符是使用选择组的评估点来定义的。

在ComsolMultiphysics®中运行背景字段模拟

以上讨论是关于如何在正确位置评估散射幅度的全部内容。唯一剩下的步骤是将其在背景字段模拟中的半波长偶极子中讨论第1部分。当我们添加天线之间的已知距离时，我们会得到以下内容：

R的变量定义。请注意，这是在组件2中定义的。

背景字段设置。

在设置中，我们看到x中的背景字段使用的表达式为comp1.intop1（emw.efarx）*exp（-j*k*r）/（r/1 [m]），它匹配引用的方程多于。另请注意，r在组件2中定义，而intop1（）在组件1中定义。由于我们是从组件2中调用的，因此我们需要为耦合操作员comp1.intop1（）提供正确的范围。接收天线模拟的其余部分在功能上等同于其他分散的场应用程序库中的仿真，因此我们不会在此处深入研究细节。

有趣的是，运行发射或背景字段模拟本身非常简单。此过程中的所有并发症都在于正确地计算组件1的字段，并在组件2中使用它们。所有这些繁重的举重都已经获得了回报，因为我们现在可以在天线到安特纳纳模拟中完全模拟接收的功率，模拟功率与Friis传输方程之间的一致性非常好。我们还可以从模拟中获得更多的信息，而不是纯粹从弗里斯方程式获得的信息，因为我们对空间中每个点的电磁场有充分的了解。

在我们得出结论之前，值得一提的是最后一点。我们仅在单个点上评估了远场，因此接收天线的场中没有角依赖性。因为我们对通常相距遥远的天线感兴趣，所以这是一个有效的近似，尽管我们将在第4部分中讨论更一般的实现。

关于耦合辐射和接收天线的结论想法

现在，我们已经在此博客系列中达到了一个主要的基准。在第1部分中讨论了术语并在第2部分中发射之后，我们现在可以将辐射天线与接收天线联系起来，并根据已知参考来验证我们的结果。我们在这里实施的方法也比Friis方程更有用，因为我们已经为电磁场完全求解，并且自动考虑了任何极化不匹配。

但是，剩下的问题尚未讨论。此处使用的方法仅适用于通过均匀介质的视线传输。如果我们之间的天线或多径传输之间有不均匀的介质，则该技术或FRIIS方程都不会适当地解释这一点。为了解决该问题，我们将需要使用射线跟踪来链接发射和接收天线。在此博客系列的第4部分中，我们将向您展示如何将辐射源链接到射线光学仿真。

进一步阅读

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