لتجنب الكشف بواسطة رادارات العدو ، يجب أن يكون لدى المقاتلين والسفن والصواريخ الحديثة أصغر مساحة تشتيت فعالة (EPR). يقوم العلماء والمهندسون بتطوير مثل هذه الأشياء غير الواضحة ، باستخدام طرق الديناميكا الكهربائية الحسابية ، وتحسين EPR وتشتت آثار الأشياء التعسفية عند استخدام الرادارات. يبتلع الجسم المعني الموجات الكهرومغناطيسية التي تسقط عليه في جميع الاتجاهات ، ويعود جزء من الطاقة إلى مصدر الموجات الكهرومغناطيسية في عملية تسمى التشتت الخلفي ، يشكل نوعًا من "صدى" الكائن. EPR هو مجرد مقياس لشدة إشارة صدى الرادار.
من الناحية العملية ، يتم استخدام المجال الموصل المرجعي ككائن لمعايرة الرادارات. يتم استخدام صيغة مماثلة للمشكلة للتحقق من الحساب الرقمي لـ EPR ، حيث تم الحصول على حل هذه المشكلة الكلاسيكية للديناميكا الكهربائية بواسطة Gustav Mi في عام 1908 .
في هذه المذكرة ، سنتحدث عن إجراء مثل هذه العملية الحسابية المرجعية باستخدام صيغة محورية ثنائية الأبعاد فعالة ، وسنلاحظ بإيجاز المبادئ العامة لحل فئة واسعة من مشاكل الانتثار في COMSOL Multiphysics ® .
الشكل 1. توزيع المجال الكهربائي (معياره) وتدفق الطاقة متوسط الوقت (الأسهم) حول كرة موصلة بشكل مثالي في الفضاء الحر.
إجراء تناثر المجال: الحجم مهم
في المثال المرجعي الكلاسيكي ، يتم إشعاع كرة معدنية موصلة تمامًا في الفضاء الحر بموجة كهرومغناطيسية مستوية ويتم حساب EPR.
عند الإخراج ، يتم حساب الانتثار عادة لنسب مختلفة من نصف قطر الكرة وطول الموجة ، والتي يتم على أساسها تمييز ثلاث مناطق: Rayleigh ، والبصرية ، ونطاقات Mi الانتقالية.
التين. 2. رسم بياني لاعتماد EPR على الطول الموجي (على مقياس لوغاريتمي مزدوج). تتميز ثلاث مناطق مميزة: Rayleigh و Mi و Optical. تُظهر الخطوط المنقطة السوداء حلولًا مقاربة لمنطقتي رايليغ والمناطق البصرية.
تتأثر خصائص EPR بشكل كبير بالحجم الكهربائي وخصائص المواد الخاصة بالجسم الذي تقع عليه حزمة الرادار. نظرًا لأن الحجم الكهربائي للجسم - في حالتنا ، المجال - ينخفض عند المرور من النطاق البصري إلى منطقة Rayleigh (من خلال النطاق M) ، فلن توفر الطرق المقاربة دقة كافية لتأخذ في الاعتبار مساهمة جميع الظواهر الفيزيائية. للحصول على نتائج دقيقة ، يجب حل المشكلة باستخدام تقنيات الموجة الكاملة .
في إعداد ثلاثي الأبعاد ، حتى مع الأخذ في الاعتبار استخدام طبقات متطابقة تمامًا (الطبقات المتطابقة تمامًا - PML) ، والتي تحد بشكل فعال من المجال الحسابي وتحاكي الحدود المفتوحة ، وظروف التماثل ، يمكن أن يستغرق الحساب بدقة مفصلة في التردد / الطول الموجي بعض الوقت.
وضع شروط التماثل للحسابات الديناميكية الكهربائية
مزيد من التفاصيل هنا .
لحسن الحظ ، إذا كان الكائن متناظراً ويشتت الموجات متناحيًا ، فلا يلزم إجراء تحليل ثلاثي الأبعاد كامل. لتحليل انتشار الموجات الكهرومغناطيسية والسلوك الرناني لجسم ما ، يكفي حساب المقطع العرضي له في صيغة محورية ثنائية الأبعاد تحت ظروف معينة.
نموذج محوري ثنائي الأبعاد لعملية الميكروويف: نظرة داخلية
لنفترض أن مجالنا معدني وموصلية عالية. لهذه المهمة ، يتم تعيين سطح الكرة كموصل كهربائي مثالي (موصل كهربائي مثالي - PEC) ، ويتم استبعاد جزءه الداخلي من منطقة الحساب. يتم تعريف المنطقة المحيطة بها على أنها فراغ مع خصائص المواد المقابلة ، ويتم استخدام PML الكروي في الطبقة الخارجية ، والتي تستخدم لامتصاص جميع الموجات الصادرة ومنع الانعكاس من حدود المجال الحسابي.
نمذجة الأجسام المعدنية في مشاكل الموجات الكهرومغناطيسيةللحل العددي لمشاكل الديناميكا الكهربائية في مجال التردد ، هناك عدة طرق للنمذجة الفعالة للأجسام المعدنية. يوضح الرسم التوضيحي أدناه التقنيات والتوصيات الخاصة باستخدام شرط الحدود الانتقالية (TBC) ، شرط حدود المعاوقة (IBC) ، وظروف الموصل الكهربائي المثالي (PEC).
تحليل مفصل لجوانب التطبيق لكل منهم هنا .
التين. 3. الشكل الهندسي للصياغة المتماثلة وتعيين المجال الكهرومغناطيسي للخلفية مع الاستقطاب الدائري الأيسر في الواجهة الرسومية COMSOL Multiphysics ® .
في المجال الحسابي (باستثناء PML) ، يتم تحديد إثارة مجال الخلفية مع الاستقطاب الدائري الأيسر الموجه في الاتجاه السلبي للمحور z (الشكل 3). يرجى ملاحظة أن الحساب يتم تعيينه فقط لوضع السمت الأول.
بشكل افتراضي ، بالنسبة لمهام الميكروويف في COMSOL Multiphysics ® ، يتم إنشاء شبكة ثلاثية حرة (أو رباعية السطوح لمشاكل ثلاثية الأبعاد) تلقائيًا لأقصى تردد محدد للدراسة في مجال التردد (دراسة مجال التردد) ، والتي في هذا المثال هي 200 ميجاهرتز. لضمان دقة كافية لعمليات الموجة في النموذج ، يتم تعيين الحد الأقصى لحجم عنصر الشبكة بما يساوي 0.2 الطول الموجي. وبعبارة أخرى ، يتم تحديد الدقة المكانية على أنها خمسة عناصر من الدرجة الثانية لكل طول موجة. في طبقات متطابقة تمامًا ، يتم إنشاء الشبكة عن طريق السحب في اتجاه الامتصاص ، مما يضمن أقصى أداء لـ PML.
لأن نظرًا لأن عدد درجات الحرية في النموذج صغير جدًا (مقارنة بالصيغة ثلاثية الأبعاد) ، فإن حسابه لا يستغرق سوى بضع ثوانٍ. عند الإخراج ، يمكن للمستخدم الحصول على وتصور توزيع المجال الكهربائي حول الكرة (في المنطقة القريبة) ، وهو مجموع الخلفية والحقول المتناثرة.
لهذه المهمة ، تتعلق الخصائص الأكثر إثارة للاهتمام بمنطقة المجال البعيد. للحصول عليها في النموذج ، تحتاج إلى تنشيط شرط حساب المجال البعيد عند الحد الخارجي للمجال الحسابي (في هذه الحالة ، حد PML الداخلي) ، والذي يسمح لك بحساب الحقول في المنطقة البعيدة خارج المجال الحسابي في أي نقطة بناءً على علاقات التكامل بين ستراتون وتشو. يضيف التنشيط متغيرًا إضافيًا - سعة المجال في المنطقة البعيدة ، على أساسها ، يقوم البرنامج في مرحلة ما بعد المعالجة بحساب المتغيرات الهندسية التي تتوافق مع معايير IEEE: الطاقة المشعة الفعالة المتناحية ، الكسب (ما يسمى الكسب ، بما في ذلك مراعاة عدم تطابق الإدخال) ، المعامل العمل الاتجاهي و EPR.
وفقًا للرسم البياني القطبي ، يمكن للأخصائي تحديد اتجاهية المجال في المنطقة البعيدة في مستوى معين ، ويسمح نمط الإشعاع ثلاثي الأبعاد في المنطقة البعيدة بإجراء دراسة أكثر تفصيلاً لحقل الانتثار (الشكل 4).
التين. 4. تصور المجال ثلاثي الأبعاد في المنطقة البعيدة بناءً على نموذج محوري ثنائي الأبعاد في COMSOL Multiphysics ® .
استرداد الحل لمشكلة ثلاثية الأبعاد
تتعلق نتائج النموذج "المختصر" في صيغة محورية بعملية إشعاع الكرة الموصلة بحقل خلفية مستقطب دائري. في المشكلة الأصلية ثلاثية الأبعاد ، تمت دراسة خصائص مجال الانتثار في حالة الموجة المستوية الخطية المستقطبة. كيف يمكن تجاوز هذا الاختلاف؟
بحكم التعريف ، يمكن الحصول على الاستقطاب الخطي بإضافة الاستقطاب الدائري الأيمن والأيسر. يتطابق النموذج المحوري ثنائي الأبعاد مع الإعدادات المذكورة أعلاه (الشكل 2) مع الوضع السمتي الأول (m = 1) لمجال الخلفية مع الاستقطاب الدائري الأيسر. يمكن بسهولة استنتاج حل الوضع السمتي السلبي مع الاستقطاب الدائري الصحيح من المشكلة التي تم حلها بالفعل باستخدام خصائص التماثل وأداء التحولات الجبرية البسيطة.
بعد إجراء تحليل ثنائي الأبعاد واحد فقط وتعكس النتائج بالفعل في عملية ما بعد المعالجة ، يمكنك استخراج جميع البيانات اللازمة ، مما يوفر الموارد الحسابية بشكل كبير (الشكل 5).
التين. 5. مقارنة اكتساح منطقة التشتت الفعالة (على مقياس لوغاريتمي) عبر زوايا التشتت لحساب كامل ثلاثي الأبعاد والنموذج المحوري الثنائي الأبعاد المقترح.
يوضح الرسم البياني أحادي البعد (الشكل 5) مع مقارنة EPR توافقًا مقبولًا بين النماذج المحورية المتماثلة ثلاثية الأبعاد وثنائية الأبعاد. لوحظ وجود اختلاف طفيف فقط في منطقة الانتثار الأمامي والخلفي ، بالقرب من محور الدوران.
بالإضافة إلى ذلك ، من أجل تصور النتائج ثنائية الأبعاد التي تم الحصول عليها في الفضاء ثلاثي الأبعاد ، سيتطلب تحويل نظام الإحداثيات من أسطواني إلى ديكارت . في الشكل. يوضح الشكل 6 تصوراً ثلاثي الأبعاد لنتائج نموذج محوري ثنائي الأبعاد.
التين. 6. عرض ثلاثي الأبعاد للنتائج على أساس حساب ثنائي الأبعاد.
تشير الأسهم التي تدور في شكل حلزوني إلى حقل خلفية مع استقطاب دائري. يمثل الرسم البياني في القسم الأفقي توزيع المكون الشعاعي لمجال الخلفية (يتم عرض عملية الموجة باستخدام تشوهات المستوى). معيار المجال الكهربائي الكلي مبني على سطح الكرة. يوضح مخطط سهم آخر تراكبًا مستقطبين دائريين ، وهو ما يعادل مجال خلفية مع استقطاب خطي في مساحة ثلاثية الأبعاد.
الخلاصة
في عملية التطور الحديث في مجال الفيزياء الإشعاعية وتكنولوجيا الموجات الدقيقة للمهندسين ، لا يمكن استبدال تقنيات النمذجة الفعالة التي تقلل من استهلاك الموارد واستهلاك الوقت بغض النظر عن الطريقة المطبقة في التحليل العددي.
للحفاظ على النزاهة وإعادة إنشاء جميع التأثيرات الفيزيائية ذات الصلة عند نمذجة مكون حقيقي بحجم كهربائي كبير ، من الممكن تبسيط عملية الحساب العددي دون فقدان الدقة عن طريق حل المشكلة في صيغة محورية ثنائية الأبعاد. عند نمذجة وتحليل الأجسام المحورية مثل تناثر المجالات والأقراص والقرن المخروطي والهوائي المكافئي ، يتم إجراء العمليات الحسابية للمقطع العرضي للجهاز بعدة أوامر من حيث الحجم بشكل أسرع من استخدام النموذج الثلاثي الأبعاد الكامل.
أساسيات نمذجة الهوائي في الفيزياء المتعددة COMSOLمراجعة فيديو قصيرة (بالروسية) ، تظهر أمثلة على نمذجة هوائيات الميكروويف باستخدام وحدة الترددات الراديوية ، بما في ذلك حساب خصائص التردد لمعلمات S والممانعة ، مخططات سميث ، دراسات مطابقة ، حساب الحقول في المنطقة البعيدة ، تحديد معامل الاتجاه (الاتجاهية) واكسب (كسب). بالإضافة إلى ذلك ، يتم النظر في مبادئ استخدام التناظر ، ونمذجة الهوائيات في الاستقبال والحسابات المعقدة لأنظمة أجهزة الاستقبال والإرسال المتباعدة في الفضاء ، وتقييم التداخل الكهرومغناطيسي على الهوائيات المجاورة ، وأكثر من ذلك بكثير.
في هذه الحالة ، تجعل الصيغة البسيطة ثنائية الأبعاد من الممكن إعادة البناء بسرعة في الفضاء ثلاثي الأبعاد ودراسة تشتت مجال الخلفية مع الاستقطاب الخطي ، بالإضافة إلى اتجاهية الإشعاع في المنطقة البعيدة للهوائيات المستثارة بواسطة الدليل الموجي الدائري TE11 المستعرض.
معلومات إضافية
هذه المادة مبنية على مقال بقلم جيه مون. تحليل عددي سريع للمقطع العرضي والرادار ، الموجات الدقيقة والترددات اللاسلكية 3 مايو 2018
تتيح لك وظيفة COMSOL Multiphsycics ® محاكاة:
للحصول على معرفة أكثر تفصيلاً بقدرات مجموعتنا للتطبيقات التي تم تناولها في هذه المقالة ، ندعوك للمشاركة في ندوتنا الجديدة على الويب "حل مشاكل التشتت في COMSOL Multiphsycics ® " ، والتي ستعقد في 22 أغسطس 2018.
المزيد عن الندوة عبر الإنترنتتسجيل مجاني: http://comsol.ru/c/7eb9
تشتت الموجة هي واحدة من أكثر الظواهر الأساسية للفيزياء ، لأن في شكل موجات كهرومغناطيسية أو صوتية مبعثرة نتلقى حصة ضخمة من المعلومات حول العالم من حولنا. تسمح لنا تركيبات الموجات الكاملة المتوفرة في وحدات الترددات الراديوية والموجات الضوئية ، وكذلك في وحدة الصوتيات ، بنمذجة هذه الظواهر بالتفصيل باستخدام طريقة العناصر المحدودة. في هذا البرنامج التعليمي على الويب ، سنناقش الممارسات الحالية لحل مشاكل التشتت في COMSOL ، بما في ذلك استخدام تركيبات الحقل المتناثر (حقل الخلفية) ، ووظائف تحليل الحقول بعيدة المدى (حساب المجال البعيد) ، وإجراء حسابات النطاق العريض باستخدام تقنيات جديدة تعتمد على طريقة Galerkin المتقطعة dG-FEM) ، بالإضافة إلى نمذجة الهوائيات وأجهزة الاستشعار في وضع استقبال الإشارة.
في نهاية الندوة عبر الإنترنت ، سنناقش النماذج والأمثلة المتاحة في مكتبة النماذج والتطبيقات من COMSOL ، ونجيب أيضًا عن أسئلة المستخدمين حول هذا الموضوع.
يمكنك أيضًا طلب إصدار تجريبي من COMSOL في التعليقات أو على موقعنا .
ملف GIF النهائي:
