您是否曾经在为支持多种不同模式以其最高操作频率的多种不同模式建模的情况下建模吗？您可能已经知道，这种情况需要一些小心才能处理。您可能会认为您需要在ComsolMultiphysics®软件中明确说明模型中的所有可能模式，但是事实证明，可能会有一种更简单的方法。让我们了解更多！
矩形金属波导
让我们在一个很长的矩形的背景下构建讨论金属射频波导。这是一个方便的起点，因为解决方案易于手工得出，但是让我们快速查看此设备中发生的事情。
矩形波导以TE10模式和有损的包含激发。
假设我们长矩形波导的墙壁可以建模为无损的完美电导体（现实的足够近似），我们知道电场的切向组件必须为零，但是电场的正常组件可以是非零的。在墙上。此外，让我们假设激发（我们不会建模）在电场上注入电场，平行于矩形波导横截面的较短轴。在上图中，这意味着电场纯粹是在z方向，电磁场仅在XY平面中传播。
我们将进一步将讨论限制在不向上或向下的波导中z方向，但我们将考虑在波导中的一个单一的，偏离的，有损的包含，该纳入将延伸到内部整个内部高度，将反射和吸收一些引导信号。
在这些假设下，将我们的讨论简化为2D模型，如下所示，仅围绕包含的波导的一小段。我们将首先解决波导操作的情况，仅在第一个截止频率TE10模式。在此示例中，证明了这种2D模型与完整3D模型之间的对应关系H弯曲的波导。
示意图2D波导模型。左侧的端口都启动了TE10模式和监视反射，而右侧的端口则监视传输。由于有限的材料电导率，在中心纳入中存在一些损失。
可以通过绘制几何形状来设置这样的模型，如图所示应用代表性材料特性，并使用两个港口边界条件 - 两端。这港口边界条件强加了边界对指定模式透明，并且还计算S-Parameters当有一个激动的端口时。
端口应足够远离包含端口，以使波导该部分的实际场仅是引导模式，而不是包含附近将存在的田地的evaneasent分量。不幸的是，不可能确定这些evanevancent的田地延伸多远，但是一个好的经验法则是将端口至少远离任何夹杂物，并研究增加此距离，以查看这是否具有显着效果根据结果。
激发端口的设置显示在下面的屏幕截图中。两个端口之间的唯一区别是，在第二个端口中，在这个港口激发浪费被设定为离开。
具有矩形模式的2D波导模型的相关设置。
一旦解决了这样的模型，我们就可以评估S参数，也可以在两个端口边界上集成功率流入/流出。包容中的传输，反射和吸收功率的总和应总和输入端口的强加功率。如果需要非常准确地计算这些积分，则需要一个非常薄的元素的边界层网格，如下图所示。这仅对于准确计算功率流的必要条件；S参数计算对网格不那么敏感。
在两个端口边界处显示单个边界层网格（洋红色）。
较高频率的多个波导模式
随着我们增加了足够高的工作频率，我们到达了下一个最高支持的模式，即TE20模式可以在此波导中存在。我们仍仅注入TE10模式，但是偏心的包含将与TE10模式相互作用，并导致转换为高阶TE20模式，这些模式既可以反映和传播。
在较高的频率下，偏心夹杂物会导致散射到高阶模式中。
考虑到这种情况真的很简单。我们只需要再添加两个港口边界条件，两端的一个，允许TE20模式通过并监视进入该模式的信号的分数。
监视TE20模式的端口的设置。
添加倍数港口相同边界的边界条件是完全可以接受的，实际上是正确性的。如果您不这样做，那么边界实际上将完美地反映任何传播它的TE20模式，这意味着结果是不正确的。
您可能已经看到一个困难：如果频率很高，以至于可能有很多模式，则必须添加一个港口每个人的边界条件。对于仅支持两种模式的2D矩形波导而言，这不是一个大问题，但假设您有一个3D圆形波导？这支持了更多的模式，并且可能很乏味以跟踪。
现在让我们看一下这种情况的另一种方法。
用PML而不是多个端口截断
而不是用几个港口边界条件，您还可以用A截断建模域完美匹配的层（PML）域，可以很好地吸收几乎所有类型的字段，如以前的博客文章。该模型在两侧都延伸了一小部分，并具有可作用于吸收的额外PML域任何不管模式如何，都出现在其上的字段。通过添加此PML，除了启动我们感兴趣的端口外，我们不再需要添加任何端口。但是，我们确实需要添加其他边界来监视传输和反射的字段，如下所示。
用PML截断并使用内部端口截断的模型示意图。
发射端口也必须以特殊的方式进行处理。我们需要从建模域内启动波浪。这要求您启用激活内部端口的狭缝条件选项。启用此选项后，您可以将端口应用于内部边界，切换电流方向，并设置港口类型是域支持，这意味着向端口反射的任何波浪都会通过它传播到港口后面的域。
内部域支持的狭缝端口的设置。
尽管我们失去了确定反映和传输到所有不同模式的能量比例的能力，但我们通过不必通过不同的边界条件来考虑每种模式来简化模型设置。如果我们有兴趣仅找到传输/反射为一种或几种模式，我们甚至可以将两种方法结合在一起，添加内部缝隙端口以仅监视感兴趣的模式，因为PML会吸收所有其他模式。
结果表明使用多个方法之间的共识端口（顶部）和一个带有单个内部的PML截断域港口（底部）。
上图比较了此处介绍的两种方法的结果，并显示了一致。对于任何可能存在多种模式，甚至是其他散射字段的任何情况，此技术都可以很有用。此处开发的模型也可以通过下面的链接获得。
评论（3）
爱德华多·普扎达（Eduardo Pouzada）
2021年2月23日非常聪明的方法和讨论。
感谢您的发布。
弗雷德里克VL
2021年10月21日嗨，沃尔特，谢谢您提供的非常有用的博客文章。我想知道是否可以直接根据两个端口（E_C1和E_C2）的横向电气E_C的计算分布来直接计算带有有损耗的包含的波导的S-参数（S11和S21）？如果我正确理解它（基于手册中的积分方程），则需要在波导为空时在两个端口上计算两个端口的横向电场分布（即E_1和E_2）。然后，一个计算，例如S21，通过将E_C的集成值除以波导的宽度（a）的共轭量除以E2的集成值，而E_2的共轭物在波导的宽度上。IE。s21 = int（e_c2（y）*conj（e2（y）））dy / int（e_2（y）*conj（e2（y）））dy？非常感谢！
沃尔特·弗莱
2021年10月21日 comsol员工您好弗雷德里克（Frederik），您要描述的是可以做的，是的，尽管正如您指出的那样，S-参数已经以这种方式计算出来。不过，这对于积极进取的用户来说是一个很好的练习。