Comsol波导在H型管道中的传播特性计算_Comsol_电子_通信_电场_理论_材料_控制

Comsol波导在H型管道中的传播特性计算

波导是一种用于定向引导电磁波或光波的结构，广泛应用于通信、雷达、微波传输等领域。利用Comsol多物理场仿真分析H型管道内波的传输规律，可揭示截面几何参数对截止频率、电场分布及能量衰减的影响。该研究对优化波导器件设计、提升信号传输效率具有实际工程价值，同时为复杂截面波导的理论分析提供数值验证方法。

供稿｜电子F430

编辑｜小苏

审核｜赵佳乐

领域｜微波工程

1.波导传播

波导是一种用于引导电磁波（通常是微波或更高频率）在特定路径上高效、低损耗传输的空心金属管状结构。与利用导体内部或表面电流传输信号的普通导线不同，波导主要依靠其封闭金属边界形成的导行电磁场在内部空间传播，避免了导体在高频下的趋肤效应损耗和辐射损耗，特别适用于传输微波及更高频率的信号。波导具有几个关键传播特性：

（a）截止现象：每种模式都有一个截止频率（对应截止波长）。只有当工作频率高于特定模式的截止频率时，该模式才能在波导中传播；低于截止频率，该模式迅速衰减（截止衰减），这使得波导具有天然的模式滤波能力。

（b）色散：波导中不同频率的电磁波以不同的相速度传播，导致信号包络失真（群速度色散）。波导是一种色散介质。

（c）单模传播：通过选择波导尺寸和工作频率范围（通常为1.25至1.9倍主模的截止频率），可以确保只有最低阶的模式（如矩形波导中的TE₁₀模）能够传播，避免多模干扰，保证信号传输质量。

图1. 波导手机

2.物理场建模

波导在H型管道中的传播模型包括空气域和玻璃。具体物理场建模材料参数和边界条件如下所示。

图2. 物理场建模

3.网格划分

在 Comsol 中对H型管道波导进行网格划分时，需兼顾计算精度与效率，针对不同物理特征区域实施差异化策略。首先对管道内壁面采用边界层网格加密，第一层网格高度设为 0.01mm，增长率 1.2，确保捕捉波导壁面的趋肤效应与边界层物理量突变。对H型管道的中心矩形区域采用自由四面体网格，基本尺寸设为波长的 1/10（如在 10GHz 频率下约为 3mm），以满足电磁波传播的空间采样要求。在管道的十字交叉区域及尖角部位，将网格尺寸局部细化至1mm，避免因几何突变导致的场强奇异点计算误差。对于波导端口区域，设置延伸段并采用渐变网格过渡，确保入射 /反射波的正确传播。整体网格质量检查中，确保最小正交度>0.2，以保障数值求解的稳定性。通过上述网格策略，在控制单元总数约 1336的前提下，实现对 H 型管道波导传播特性的高精度模拟。

图3. 网格分布

4.结果展示

采用不同频率下的频域研究方式求解计算模型，波导在H型管道中的电场、S参数等分布如下。

图4. 不同频率下的电场分布

图5. 不同频率下的S参数分布

图6. 不同频率下的内史密斯图分布

来源：Comsol有限元模拟

Comsol冰箱中的西瓜

在食品保鲜与冷链研究中，冰箱内西瓜的温度分布与冷却效率是关键议题。利用 Comsol可精准模拟西瓜在冰箱环境中的传热过程，分析不同冷藏时间的温度变化规律。文章聚焦冰箱内西瓜的热传导特性，通过建立三维传热模型，揭示其冷却动态过程，为优化冷藏条件、延长保鲜期提供理论依据与技术参考。文｜热流Es编辑｜小苏审核｜赵佳乐西瓜西瓜是葫芦科一年生蔓生藤本植物，原产于非洲热带草原地区，现广泛栽培于全球温带至热带地区。其果实为瓠果，外皮多为绿色，带有深绿或黑色条纹，果肉通常为红色或黄色，富含汁液，种子呈黑色或白色。西瓜富含水分、维生素 C、番茄红素等营养成分，具有清热解暑、生津止渴的功效，是夏季主要的消暑水果。其品种多样，按果肉颜色可分为红肉、黄肉西瓜；按果型大小可分为大型西瓜和迷你西瓜；按种子有无可分为有籽西瓜和无籽西瓜。西瓜适应性强，喜温暖干燥气候，生长周期约 80-120 天，在我国新疆、山东、海南等地均有大规模种植。图1. 清凉西瓜物理建模西瓜三维几何模型包括包裹在外侧的西瓜皮和内部的西瓜果肉。具体物理场建模材料参数和边界条件如下所示。图2. 物理建模网格划分在Comsol中进行西瓜传热分析时，合理的网格划分是确保计算精度与效率的关键。西瓜由果肉、瓜皮等不同结构组成，且热物性存在差异，因此需采用差异化的网格划分策略。首先，在几何建模阶段明确西瓜的结构，将果肉与瓜皮分别建模，以区分二者不同的导热系数、比热容等参数。划分网格时，对瓜皮区域进行局部加密。瓜皮导热系数相对较低，是热传导的关键界面，细化网格（单元尺寸建议0.5-1cm）能更准确捕捉其温度梯度变化。而果肉区域因导热相对均匀，可使用较粗网格（单元尺寸1-2cm），以降低计算量。全局网格可先采用自由四面体网格进行初步划分，再利用 “细化” 功能对瓜皮进行二次加密。同时，为保证计算稳定性，需检查网格质量，确保最小正交质量大于 0.1，避免出现畸变单元。此外，模拟涉及瞬态传热，需根据时间步长调整网格，保证在温度快速变化阶段能够准确捕捉物理过程，实现精度与效率的平衡。图3. 网格分布结果展示采用瞬态研究方式求解计算模型48h，求解收敛曲线和不同时刻西瓜温度分布如下。图4. 收敛曲线图5. 0h西瓜温度分布图6. 1h西瓜温度分布图7. 6h西瓜温度分布图8. 12h西瓜温度分布图9. 24h西瓜温度分布图10. 48h西瓜温度分布监测点温度曲线如下，结果表明24-31h后，西瓜冷却温度处于8℃~10℃之间，此时口感最佳。图11. 监测点位置图图12. 监测点温度随时间分布曲线来源：Comsol有限元模拟