COMSOL RF模块高频电磁场分析中的波源定义.doc

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1、在高频电磁场计算中，波源设定是一类常见问题。在光学领域，电磁波源类型很多，比如各种激光器（连续的脉冲的，直接出射的，波导输出的，Gaussian/Bessel/Flat-top/Lorentz等等），荧光分子在外加激光照射下发光；微波领域中的天线，矩形波导出射波源之类。当计算一束已知的高斯光束照射到散射体上的电磁场分布时，光束既可以用背景场定义在计算域内，也可以定义在边界上。分子荧光，天线等有时能够简化为点辐射的情况，可通过点源定义。此外，可通过边电流定义边界辐射源。·电场还是磁场？根据Maxwell方程，电场与磁

2、场之间满足法拉第定律，定义电场时磁场便确定下来，所以这里我们只考虑电场的定义。·表达式自定义？无论定义哪一种源，都无外乎把源的模值，或是矢量的各个分量写成表达式或函数，这一点与其他物理量一致。定义方法请参考“COMSOL_Multiphysics函数定义用户指南”。·是否要加时间项？电磁场求解研究类型分为频域和时域，两者的波源设定不同。频域计算时，默认所有矢量场值，包括电场、磁场、电流都以相同频率随时间简谐变化。因此，场值均是以空间为变量，不包含时间部分，而在时域计算时，光源定义需要给出时间部分的表达式。以一个单频

3、边界电场源为例，频域中定义E(x,y,z)，时域定义是E(x,y,z)*exp(i*omega*t)，其中omega是简谐变化的角频率。我们将电场源定义分为空间和时间分别讨论：1.空间部分a.点源：点偶极子（Electricpointdipole）/简化磁流源（Magneticcurrent），下图中画出了两种点源附近的电场矢量方向图，可从分布判断选择哪一种定义。点偶极子（Electricpointdipole）磁流（Magneticcurrent）b.边界源：边界电流、电场、磁流易于理解，此处略。面源定义的常见情

4、况，一种是已知场在边界上的分布；另一种是场分布满足特定的波导模式，而波导模式是需要计算得到的。对于已知光束，若是满足已知的解析表达式（比如基模高斯光束），可在散射边界（ScatteringBoundaryCondition,SBC）中定义，包括两个部分：场分布和波矢方向。场分布在电场分量中添写表达式即可。波矢方向需稍加说明，对于一束斜入射的平面波来说，有两种方式定义，一是把倾斜位相因子定义在场空间表达式中，二是定义在波矢中，两者选其一勿重复。其中的原理可以从SBC的Settings>Equation表达式中判断出来

5、。同理其他类型的光束，差异仅仅是电场分布的定义。V4.3模型库中的二次谐波产生案例（ModelLibrary>RFModule>OpticsandPhotonics>second_harmonic_generation）便利用散射边界定义了一个时空均为高斯分布的光束。另外，在定义场分布时会用到的COMSOL中常用函数和算符，在帮助文档中可查到：路径为COMSOLMultiphysics>GlobalandLocalDefinitions>Operators,Functions,andVariablesReferen

6、ce高斯脉冲的时域传输及二次谐波产生ModelLibrary>RFModule>OpticsandPhotonics>second_harmonic_generation波导类型的光源，RF模块里的端口（Port）边界是专为它准备的。在Port类型（typeofport）中有三种可选：·Userdefined，自定义场分布·Numeric，与边界模式分析耦合计算入射波导模式·Rectangular，微波矩形波导选择Userdefined时，Port边界可以像SBC那样，定义场表达式，但波矢的定义只能给定边界法向波矢

7、，也就是传播常数（Propagationconstant）。与SBC不同的是，Port边界上是通过定义入射场的功率来确定场的振幅，或者说，虽然场表达式给出了具体的单位[V/m]，但实际激发功率是由inputpower确定的，表达式仅决定其归一化分布。Port边界针对几种常见波导形式，内置了模场（Rectangular/Coaxial/Circular）分布。当入射场满足其他类型的待求解波导模式时，可选择Numeric，并在Equation中选中对应的边界模式分析求解步，例如V4.2a模型库中的电介质波导案例（Mod

8、elLibrary>RFModule>VerificationModels>Dielectric_slab_waveguide）此外，V4.3中Port边界仅适用于频域分析，若想在时域分析中添加波导光源，可以将波导模场分布导出，再作为插值函数定义在时域的SBC边界中作为空间分布；也可以先进行一个频域的边界模式分析，再把求得的边界模场值写在时域方程的SBC中实