波浪电磁问题的端口和集总端口

当使用comsol多物理软件在频域中模拟波电磁问题时，有几种对边界进行建模的选项，通过这些选项，传播电磁波将在没有反射的情况下通过。在这里，我们将查看RF模块和端口边界条件中可用的集团端口边界条件，该条件在RF模块和Wave Optics模块中可用。

在边界条件下简化建模

在建模电磁结构（例如天线，波导，空腔，过滤器和传输线）时，我们通常可以将分析限制在整个系统的一小部分中。例如，考虑一个同轴分离器，如下所示，将信号从同轴电缆（同轴电缆）平均分为两个。我们知道，传入和传出电缆中的电磁场将具有一定形式，并且能量朝着与同轴电缆横截面的正常方向传播。

在许多其他情况下，我们知道在我们建模域的某些边界处电磁场的形式（但不知道的形式或相位）。这些情况要求使用集总端口和端口边界条件。让我们看看这些边界条件的含义以及应使用何时使用。

总端口边界条件

我们可以通过查看同轴电缆中的田地来开始讨论集体端口边界条件。同轴电缆是由内部和外部导体组成的波导，中间。在其工作频率范围内，同轴电缆以旋转电磁（TEM）模式运行，这意味着电场和磁场向量沿电缆的波传播方向没有任何组件。也就是说，电场和磁场都完全位于横截面。在comsol多物理学中，我们可以计算这些字段和同轴电缆的阻抗，如这里所示。

但是，也存在针对此问题的分析解决方案。该解决方案表明，电场与1/r在内部和外导体之间。因此，由于我们知道同轴电缆的横截面的电场形状，因此我们可以使用它作为边界条件集团港口，同轴边界条件。这种情况的激发选项是，可以根据电缆阻抗以及施加的电压和相位，以施加的电流或与外部定义的电路的连接来指定激发。不管这三个选择如何，电场始终会随着1/r乘以代表（用户指定）传入和（未知）传出波的总和的复杂值数字。

同轴电缆中的电场。

对于同轴电缆，我们始终需要在环形面上施加边界条件，但是在其他情况下，我们也可以使用总端口边界条件。对于总端口条件，还有一个统一和用户定义的选项。如下所示，可以使用均匀的选项，如果您具有几何形状：将两个导电面之间的间隙桥接。假定电场在边界面之间的幅度均匀，并且该软件会自动计算总端口面的高度和宽度，该高度和宽度应始终比周围材料中的波长小得多。统一的集总端口通常用于激发脊和共面波导，如这里详细讨论。

典型的统一集总几何形状。

用户定义的选项使您可以手动输入进料的高度和宽度以及电场向量的方向。如果您需要手动输入这些设置，则此选项是合适的这个偶极天线的例子。

用户定义的总端口几何形状的一个示例。

集团端口条件的另一种用途是建模一个小电气元件，例如电阻器，电容器或电感器键入微波电路。总端口可用于指定建模域内两个导电边界之间的有效阻抗。有一个额外的集总元件边界条件与集团端口相同，但具有自定义的用户界面和不同的后处理选项。一个例子威尔金森力量分隔线演示此功能。

一旦计算了使用集总端口的模型解决方案，COMSOL多物理学也将自动后处理S-参数，以及模型中每个集团端口的阻抗。可以仅针对TEM模式波导计算阻抗。也可以计算出非常接近TEM的结构的近似阻抗如下所示。但是，一旦在繁殖方向上有明显的电场或磁场，我们就无法再使用集团的端口条件。相反，我们必须使用端口边界条件。

港口边界条件

要开始讨论端口边界条件，让我们检查一个内部的字段矩形波导。同样，有针对的分析解决方案波导中的传播场。这些溶液被归类为横向电（TE）或横向磁性（TM），这意味着在传播方向上分别没有电场或磁场。

让我们仅使用具有TE模式的波导，该波导可以在2D平面中建模。我们将考虑的几何形状是不同横截面区域的两个直线部分。在操作频率下，更宽的部分支持TE10和TE20模式，而窄较狭窄仅支持TE10模式。波导在更宽的部分上使用TE10模式激发。当波浪向下传播波导并撞击连接处时，一部分将作为TE10模式反射回源，部分将以TE10模式再次沿着较窄的部分延伸，部分将转换为TE20模式，然后向源边界传播。我们希望正确对此进行建模，并将拆分计算为各种模式。

端口边界条件的配方与集总端口边界条件略有不同，因为您可以将多种类型的端口添加到同一边界。也就是说，端口边界条件每个条件贡献（而不是集团的港口覆盖）其他边界条件。端口边界条件还指定了在每种模式下的功率方面的传入波的幅度。

考虑波导系统的草图。

下图显示了上述模型的解决方案，该模型具有三个端口边界条件，以及用于电场形状的TE10和TE20模式的分析解决方案。计算此问题的正确解决方案确实需要添加所有这三个端口。计算解决方案后，该软件还使S-参数可用于后处理，这表明传入信号的相对拆分和相移。

解决方案显示了不同的端口模式和计算的电场。

端口边界条件还支持循环和同轴波导形状，因为这些情况具有分析溶液。但是，大多数波导横截面没有。在这种情况下，必须使用数字端口边界条件。该条件可以应用于任意波导横截面。在用数字端口求解模型时，还必须首先求解边界处的字段。有关此建模技术的示例，请参阅这个示例首先，与半分析案例进行比较，其次是这个示例，只能通过数值来计算端口的字段形状来解决。

矩形，同轴和圆形端口是预定义的。

数字端口可用于定义任意波导横截面。

最后一个情况使用端口边界条件时，适用于在准灭炎周期性结构（例如衍射光栅）上的平面波的建模。在这种情况下，我们知道任何传入和传出波都必须是平面波。传出的平面波将沿许多不同的方向（不同的衍射顺序）进行，我们可以提前确定方向，尽管不是相对幅度。在这种情况下，您可以使用周期性的端口边界条件，该条件使您可以指定传入的平面波偏振和方向。然后，该软件将自动计算各种衍射订单的所有方向以及每个衍射顺序的功率。

有关周期性端口边界条件的广泛讨论，请阅读此之前有关周期结构的博客文章。要快速介绍这些边界条件，请参阅此信息等离子线光栅的模型。

概括

我们引入了集总端口和建模边界的端口边界条件，在该边界中，电磁波可以通过而无需反射以及我们对磁场形状有所了解。在我们不知道字段形状的情况下，用于建模边界的替代选项可以在这里找到。

集总端口边界条件仅在RF模块中可用，而端口边界条件则在电磁波RF模块和波光学模块中的接口以及波光学模块中的光束信封公式。这以前的博客文章提供了这些模块之间差异的广泛描述。

但是，那些不透明的边界，例如我们今天所研究的波导的导电墙呢？这些边界将几乎反映出所有波浪，需要一组不同的边界条件，我们将向接下来查看。