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1、,COMSOL专业模块,内容和安排,1、COMSOL 准静态电磁模块 2、COMSOL 射频模块 3、COMSOL 微机电系统模块 4、COMSOL 传热模块 5、COMSOL 结构力学模块,COMSOL Multiphysics 准静态电磁模块,电容、电感、传感器、执行器、变压器、电机等 电磁兼容、等离子体和磁流体 焦耳热或感应加热 半导体制造和晶圆加工 电阻抗成像 交直流电路设计,准静态电磁模块的应用领域,发电机,晶片焊线,四极透镜,功率电感器,感应加热,应用模式 静态,传导介质 直流电 3D 平面内 轴对称 静电 3D 平面内 轴对称 静磁 3D 3D 无电流 平面内 (两种电流方向)
2、轴对称 (两种电流方向),什么是低频电磁场？电尺寸小于波长的十分之一50Hz：波长 6106 m电设备 6105 m,l,0.1 x l,低频电磁场,电设备,应用模式 低频,电(E)、磁(M)或电磁(EM)3D时谐 电、磁和电磁 3D瞬态 电和磁 平面内 电、磁和电磁 时谐和瞬态(电和磁) 轴对称 电、磁和电磁 时谐和瞬态(电和磁),基本原理,麦克斯韦方程：,麦克斯韦-安培定理,法拉第定理,高斯定理，电 高斯定理，磁,连续性方程,AC/DC 模块 V3.5a 中的新特性,2D和3D几何建模时的 ECAD 接口： ODB+ 文件 (XML 版本)、 Gerber/Drill 文件 (Artwor
3、ks NETEX-G )、GDS 文件 磁场诱导的场分析 消除叠加的背景场 (还原电势方法) 非破坏性测试，消除地球磁场 通过虚功计算力 准静态/静态模型中引入折合电场强度，可以在其中指定一个已知的背景场只求解折合电场强度 引入了在端口上指定电压和电流,使用ECAD导入特征建立几何结构的平面变压器的仿真,ECAD 接口,电场边界条件,Surface charge ：定义表面电荷 Inward current flow：定义法向电流 Electric potential ：指定电压值 Distributed impedance：模拟薄的阻抗材料Port ：计算集总参数 Electric shie
4、lding ：表示薄的高电导率材料Floating potential: Circuit terminal ：连接 SPICE 电路,磁场边界条件,Surface current：定义表面电流 Magnetic field ：给定磁场的分量 Electric insulation：磁场旋度为0，也表示无法向电流Magnetic potential：定义矢量磁势的分量 Magnetic insulation：矢量磁势旋度为零 Impedance boundary condition：表示有损耗的（非理想）导体的表面。 Magnetic shielding ：表示薄的高磁导率材料,无限元,真实的物
5、理环境很多都是无界的或是开放的，例如对于电磁波问题，电磁波应该延伸到无穷远。而用有限元模拟的过程中，一般都只模拟足够远的空间。处理这类可以采用两种方法： 一、在很远的末端，使用终止的边界条件。 二、使用无限元。,无限元：是映射局部、有限尺寸的区域，使之伸展到无限大 伸展范围的内边界和局部有限区域的内边界一致； 而外边界坐标趋于无限大,坐标变换公式：,t0是内部边界坐标， 是无限单元的宽度,坐标类型： Cartesian ：在直角坐标方向上拉伸 Cylindrical ：在柱坐标方向上拉伸 Spherical ：在球面方向拉伸 User defined ：用户自定义无限元,Cylindrical
6、,电磁力和力矩,体积力：积分J B（载流设备）Fx Jy_emqa*Bz_emqa-Jz_emqa*By_emqaFy-Jx_emqa*Bz_emqa+Jz_emqa*Bx_emqaFzJx_emqa*By_emqa-Jy_emqa*Bx_emqa表面应力：积分边界上麦克思韦应力张量虚功原理： 力（ cemforce ）： 力矩（ cemtorqu）：,表面应力计算,打开Subdomain Settings对话框，点击Forces 选择铁棒2，在name下，输入变量名rod,案例：铁矿矿床的磁勘探,通过求解由于地磁场对铁矿产生的磁化作用来估计地表和航空勘探的磁异常 地磁场作为外加场来处理,由数
7、字地图导入几何结构,铁矿矿床导致的磁异常,案例： MEMS 平板电容器,平板之间 距离通过弹簧调节,可调式MEMS电容器,本案例为静电式可调式平行板电容器 两板间的距离可由中间的弹簧来调整 透过两端的电势差来计算出电容值,模型方程,V = fixed,V = 0,(-eV) = r0,电势和电场,案例：涡流,24 kA, 50 Hz,导体和金属板,不同材料中的涡流 当趋肤效应很小时用阻抗边界条件,案例：平行载流导线之间的受力,两个近似无限长、有粗细的平行导体棒 电磁力计算方法： 对导线横截面体积力密度积分 对边界麦克斯韦应力张量积分,COMSOL Multiphysics 射频模块,射频和微波
8、器件天线波导、微带、传输线谐振腔、滤波器微波加热等光和光子晶体光波导光子晶体一般电磁波的模拟超材料研究应力光学效应,应用领域,天线,微波加热,辐射,散射,波导,光子晶体,高频电磁场,电尺寸（装置尺寸/电磁波长）大于百分之一,光波,RF模块的应用模式,电磁波 时谐传播 特征频率分析 瞬态分析 散射谐波传播 边界模式分析 TE波 TM波 混合模波 电热交互耦合 微波加热- 稳态分析- 瞬态分析,常用边界条件,Port（外部）:一种允许能量进入或导出几何结构的边界条件. 激励端口中默认的电磁波平均功率为1瓦。使用这个边界条件可以计算S参数，用 sparametermatrix命令可以得到多端口的S参
9、数Lumped Port （内部）：是port边界条件的简化，可以在求解域内使用，必须用在距离小于波长的两个金属导体之间。Impedance Boundary Condition：表示有损耗的（非理想）导体的表面。电磁场在边界上只能透射一小段距离，用边界条件表示穿透区域Scattering Boundary Condition ：一种吸收边界条件，模拟开放的表面。表示电磁波几乎完全透射，对平面波有很好的吸收Continuity ：自然边界条件，确保切向电场和磁场连续,Electric Field ：定义切向部分的电场当求解时，在物体内部或外部都可以使用当求解时，只能在外部使用Perfect E
10、lectric Conductor ：电场垂直物体表面，切向电场零表示电磁波完全被反射，当求解变量是磁场H时，表示纽曼边界条件Magnetic Field ：定义切向部分的磁场当求解H时，在物体内部或外部都可以使用当求解时，只能在外部使用Perfect Magnetic Conductor ：切向磁场为零，电场和物体表面相切当求解变量是磁场E时，表示纽曼边界条件Periodic Conditions：当两个区域形状相同，物理量大小相同，并呈周 期性变化的时候，使用周期性边界条件。 Continuity 、Antiperiodicity、 Floquet periodicity,远场分析,远场分
11、析：利用Stratton-Chu公式从近区场得到远区电磁场,在RF模块中，3D电磁波、轴对称波和平面波支持远场后处理。求解过后设定远场变量后，要重新更新模型。,无限远处点p方向角,自由空间波阻抗,远场辐射模式：,定义远场变量,选择对称平面要 和对称边界匹配,远场变量,3D Efarx, Efary, Efarz 2D轴对称 Efarr, Efarphi, Efarz 2D Efarr, Efarphi, Efarz。只有Efarz不为零,每一个变量对应一个名称相同的函数，函数可以取出远场方向 的矢量分量，用角度表示的表达式： Efarx(sin(theta)*cos(phi),sin(thet
12、a)*sin(phi),cos(theta),S参数,S参数：描述电磁能量的传输和反射,n个端口的设备,S11端口1的电压反射系数 S21端口1到端口2的电压传输系数,知道端口1、2、3电场基本模式E1、E2、E3Ec总场,基于功率流（会失去相位信息）,在Global Data Display对话框中可以得到S参数,打开Global Data Display对话框,e,m = 1,PML,PML,PML,PML,PML,PML,PML,PML,定义PML,完美匹配层,坐标变换公式：,t是坐标， 是PML宽度,坐标类型： Cartesian ：PML按直角坐标系方向吸收电磁波 Cylindric
13、al ： PML按柱坐标系吸收电磁波 Spherical ：PML指定点上径向方向吸收电磁波 User defined ：最一般的PML，用户自定义坐标变换,Cartesian,_guess_参数名 应用模式标识符,选择physicsEquation VariableSubdomain Settings，打开 Subdomain Settings对话框，选择variables,Cylindrical,Spherical,40 N,案例：印刷电路板上的微波滤波器,从ECAD文件导入几何模型 施加作用力弯曲滤波器 进行应力分析以保证滤波器特征在印刷电路板弯曲下保持不变,案例：高斯激光束的传播,本模
14、型介绍瞬态高斯激光束脉冲的传播属性。 YAG (lambda=1.06um)的激光束脉冲聚焦使得光束的腰部落在区域内，输入输出边界根据高斯光束圆形波前而弯曲, 使光斑可见。,案例：光子晶体,本案例通过波长与光子晶体结构的折射率，研究不同波长的传播影响,循环器是多端口设备， 入射波总是向右偏转 模拟步骤: 导入的 CAD 几何 利用各向异性、非线性的铁氧体材料 使用参数求解器 把模型导出到 COMSOL Script 使用内建的 S参数矩阵命令扫描所有端口，得到S参数矩阵,案例：三端口铁氧体循环器,案例：微波炉,多物理场分析 (RF + heat transfer) 微波炉对马铃薯的加热 模拟步
15、骤: 利用微波加热多物理场耦合模式 利用复数表达式描述马铃薯的材料属性 使用对称模型 使用GMRES迭代求解器和Geometric multigrid预处理器 计算瞬态热传递模式，和静态的电磁模型,案例：H形弯曲波导,介绍： H形弯曲波导用来可以把电磁波弯曲成45或90度 H形弯曲波导具有非常低的损耗,E-Bend,H-Bend,简化模型,TE10 Port,入射端口模式 TE10 PEC 边界条件 出口是匹配边界条件 这个模型也可以使用2D模式求解,应用模式：Electromagnetic WavesHarmonic propagation 方程截止频率：传播常数,控制方程,a=2b, b=
16、0.0174245m (vc)10=4.3GHz (vc)01=8.6GHz (vc)11=9.6GHz,结果,Z方向电场(3D),Z方向电场（2D）,Z方向电场（有介质填充）,COMSOL Multiphysics 微机电系统模块,MEMS,什么是MEMS Micro: 小尺度 Electro: 电磁现象 Mechanical: 移动、变形 Systems: 集成于一起 COMSOL 中的MEMS 对小尺度的建模 结构力学 压电效应 电磁场 微流：电动与化学反应 对MEMS建模就是对多物理场建模,MEMS模块,对MEMS建模就是对多物理场的建模 电-结构 静电 压电效应 压阻效应 电容计算 电-热 焦耳热 温度、材料电气性能 热-结构 热膨胀 热-弹性阻尼 电-热-结构,流体-结构 固体-流体交互 固体-压力耦合 流体-热 传导与对流 电动 电渗 电泳 介电泳 流体-化学 表面反应 电-热-机械-流体,
