 |
این مدل آموزشی استفاده از میدان پس زمینه را در مسئله پراکندگی الکترومغناطیسی نشان می دهد. اگرچه این مثال یک قایق است که توسط یک رادار مورد اصابت قرار گرفته است، این تکنیک مشابه را می توان در هر موقعیتی که یک جسم جدا شده با امواج الکترومغناطیسی از یک منبع دور برخورد می کند، استفاده کرد. به عنوان مثال، چندین مرتبه کوچکتر، یک کاربرد به همان اندازه رایج، نانوذرات تشدید کننده پلاسمون است. این مثال علاوه بر تنظیم میدان پس‌زمینه و جارو کردن آن در طیفی از زوایای برخورد، نحوه محاسبه میدان دور و مقطع راداری (RCS) را نیز به شما نشان می‌دهد.
این مثال تعامل بین یک قایق و میدان حادثه را از فرستنده رادار محاسبه می کند. فرستنده به اندازه کافی دور در نظر گرفته می شود که این میدان را می توان به عنوان یک موج صفحه در نظر گرفت. این باعث می شود که فرستنده را از هندسه مدل حذف کنید و فقط به قایق و اطراف آن نگاه کنید.
اگرچه روال مدل‌سازی در سه بعدی مشابه است، این مثال به صورت دو بعدی برای تنظیم و حل سریع است. به منظور تمرکز بر روی مفاهیم، هندسه عمداً بسیار ساده نگه داشته شده است ( شکل 1 را ببینید ).
شکل 1: هندسه مدل. طول قایق 14 متر است و توسط هوا احاطه شده است – هواپیمای بریده شده بالای سطح آب قرار دارد.
دایره داخلی در هندسه نشان دهنده هوای اطراف قایق است. دایره بیرونی یک لایه کاملاً منطبق است (PML) که بازتاب غیرفیزیکی موج پراکنده را هنگام خروج از دامنه مدل به حداقل می رساند. شعاع دایره داخلی یک مدل مهم است. برای به دست آوردن نتایج خوب، دایره داخلی باید به طور کامل قایق را احاطه کند. همچنین باید به کسری قابل توجهی از طول موج و همچنین طول مشخصه موج محو کننده در خارج از آن گسترش یابد. با این حال، در عمل، و برای به حداقل رساندن زمان و استفاده از حافظه، دایره را خیلی بزرگ نکنید. برای هدف این مثال، دایره داخلی بزرگتر از آنچه لازم است برای ارائه یک دید خوب از میدان نزدیک است. شعاع دایره بیرونی تا زمانی که نیازهای مشبک سازی PML را که 5 تا 6 المان مش است را فراهم کند، مهم نیست.
• |
سپس معادله موج هارمونیک زمان برای میدان نسبی حل می شود، E rel = E – Eb ، که در آن E کل میدان قابل اندازه گیری است.
میدان نسبی تفاوت بین میدان اندازه گیری شده ناشی از حضور قایق و میدان پس زمینه است. از آن برای توصیف میزان قابل تشخیص بودن قایق با رادار – RCS آن استفاده می شود. RCS یک پراکنده سه بعدی به این صورت تعریف می شود
برای پراکنده دو بعدی در این مثال، RCS در واحد طول برای پرداختن به ویژگی های پراکندگی تک استاتیک آن در زاویه ای که موج فرودی از آن می آید، استفاده می شود، که با
که در آن میدان نسبی به عنوان تابعی از شعاع با کمک محاسبات میدان دور، E far محاسبه می‌شود . RCS یک مدل سه بعدی که دارای مقطع هندسی ثابتی از یک مدل دو بعدی است نیز می تواند از روی RCS در واحد طول تخمین زده شود.
با استفاده از یک حل کننده پارامتری، نتایج برای دامنه کامل زوایای فرود، از 0 تا 359 درجه در مراحل 1 درجه است. شکل 2 هنجار میدان کل ناشی از برخورد موج صفحه پس زمینه را از زاویه 30 درجه نشان می دهد. بازتاب روی قایق یک الگوی موج ایستاده ایجاد می کند. قایق در سمت چپ پایین سایه می اندازد.
شما همچنین می توانید میدان نسبی ارسال شده از قایق را تجسم کنید. شکل 3 هم مقدار آنی آن را در فاز صفر نشان می دهد و هم هنجار آن را نشان می دهد. توجه داشته باشید که عدم وجود امواج ایستاده در دومی نشان می دهد که PML کار خود را در جذب میدان خروجی بدون هیچ بازتابی انجام می دهد.
شکل 3: مقدار لحظه ای (بالا) و بزرگی (پایین) میدان الکتریکی نسبی ارسال شده توسط قایق برای زاویه تابش 30 درجه.
همانطور که در این نمودارهای میدانی نزدیک نشان داده شده است، می توانید حدس بزنید که یک ناظر دور قله هایی را در میدان نسبی با مرکز در حدود 150 و 210 درجه می بیند . این توسط نمودار میدان دور در شکل 4 تایید می شود . محاسبات میدان دور از فرمول Stratton-Chu استفاده می کند (به نظریه محاسبات میدان دور در راهنمای کاربر ماژول RF مراجعه کنید) با میدان الکتریکی نسبی در مرزهای قایق به عنوان ورودی. توجه داشته باشید که میدان نسبی تنها مؤلفه ای است که ارزیابی میدان دور برای آن منطقی است. در حالی که میدان نسبی با فاصله از قایق از بین می رود، دامنه میدان برخورد ثابت می ماند. از این رو میدان کل فقط در فواصل محدود از قایق غیر ضروری است.
شکل 4: نمودار تابش میدان دور برای زاویه تابش 30 درجه. فاصله تا مرکز نشان دهنده میدان دور در دسی بل است.
شکل 5 RCS در واحد طول را نشان می دهد. در مقایسه با نمودارهای دیگر، که جنبه های مختلف میدان ها را برای یک زاویه تابش خاص نشان می دهند، این خروجی عموماً تنها با حل محدوده کامل زاویه ها، از 0 تا 360 درجه امکان پذیر است. در این مثال، می توانید با توجه به این که به دلیل تقارن هندسی، نتایج در صفحه نیمه بالایی و پایینی یکسان هستند، از حل نیمی از این محدوده اجتناب کنید.
به جز تقارن، یکی از ویژگی های اصلی نمودار RCS در واحد طول، قله برجسته در 90 درجه است که به دلیل صاف بودن سمت قایق است. اگر رادار در این جهت باشد، بیشتر میدانی که به قایق برخورد می کند به سمت آن منعکس می شود. قله حدود 135 درجه به طور مشابه توضیح داده شده است، اما سمت کمان جایگزین کناره قایق می شود. این قله پایین تر و گسترده تر است زیرا مرز کوتاهتر و کمی خمیده است. یک شیب در 180 درجه وجود دارد زیرا بیشتر میدانی که از زاویه مستقیم به کمان برخورد می کند به طرفین منعکس می شود.
در طول این آموزش چندین بار مرزهای قایق را انتخاب خواهید کرد. انتخاب نامی که به تازگی تعریف کردید این کار را راحت تر می کند.
PML اطمینان حاصل می کند که میدان پراکنده از قایق تقریباً به طور کامل جذب می شود قبل از اینکه آنچه از آن باقی مانده در مرزهای بیرونی مدل منعکس شود. توجه داشته باشید که فیلد پس‌زمینه تحت‌تاثیر هیچ‌کدام از این موارد قرار نمی‌گیرد – طبق تعریف آن چیزی است که شما آن را تنظیم می‌کنید.
1 |
از آنجایی که از یک شرط مرزی برای نشان دادن قایق استفاده می کنید، میدان داخل آن به طور یکسان صفر خواهد بود و نیازی به حل آن نیست. حذف دامنه قایق به این روش باعث صرفه جویی در زمان و حافظه می شود.
گزینه ای که به تازگی انتخاب کرده اید به شما امکان می دهد یک فیلد پس زمینه را وارد کنید. عبارتی که استفاده می کنید، نشان دهنده یک موج صفحه ای است که از زاویه فی وارد می شود. در این عبارت، ثابت انتشار موج در خلاء، emw.k0، به طور خودکار توسط رابط فیزیک ارائه می شود. هنگامی که مدل را حل کردید، می توانید فیلد پس زمینه را رسم کنید تا تأیید کنید که آن را به درستی تنظیم کرده اید.
6 |
فیلد پس زمینه فقط دارای مولفه z میدان الکتریکی است. با انتخاب بردار خارج از صفحه ، محاسبات می تواند کارآمدتر باشد.
استفاده از یک شرط مرزی امپدانس فرض می کند که عمق پوست در ماده بسیار کمتر از ضخامت ماده است. در 200 مگاهرتز، عمق پوست در آلومینیوم در حد میکرون است، بنابراین می توان گفت که این مورد است. حتی می‌توانستید به جای آن از شرایط رسانای الکتریکی عالی استفاده کنید، با نتایج تا حد زیادی بدون تغییر. در مورد پراکندگی روی یک نانوذره، عمق پوست اغلب به همان اندازه خود ذره است. در چنین شرایطی، شما نباید از شرط مرزی امپدانس استفاده کنید، بلکه باید دامنه ماده را فعال نگه دارید.
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Mesh 1 کلیک راست کرده و Build All را انتخاب کنید .
شما این مدل را برای زوایای فرود از 0 تا 360 درجه در مراحل 1 درجه حل می کنید. گام های کوچکتر نمودارهای RCS دقیق تری را به شما می دهد، اما کل زمان حل و همچنین اندازه فایل مدل به صورت خطی با تعداد زوایا افزایش می یابد.
نمودار پیش فرض هنجار میدان الکتریکی کل را برای زاویه تابش برابر با 360 درجه نشان می دهد. میدان الکتریکی کل میدان فیزیکی واقعی، قابل اندازه گیری است. طرح توسط یک الگوی موج ایستاده ناشی از انعکاس عمدتاً در قسمت عقب و کناره های قایق غالب است. همانطور که ممکن است انتظار داشته باشید که موجی که تقریباً از سمت راست وارد می شود، در سمت چپ قایق، فراتر از کمان، موجی در حال شکل گیری است. برای بازتولید شکل 2 ، ببینید که میدان با زاویه تابش 30 درجه چگونه به نظر می رسد.
در 30 درجه، پی گسترده تر می شود. همچنین به دلیل انعکاس در سمت بالایی قایق، می توان میدان افزایش یافته را در بالا و سمت چپ تشخیص داد. همچنین سعی کنید مقدار لحظه ای مجموع و میدان نسبی را رسم کنید.
2 |
4 |
از آنجایی که میدان نسبی تفاوت بین میدان مشاهده شده و میدان پس زمینه است، بزرگی آن هم در پی و هم در جایی که میدان کل توسط بازتاب ها افزایش می یابد، افزایش می یابد. اگر قدر مطلق میدان نسبی را رسم کنید، این روند حتی واضح تر می شود.
اکنون طرح باید شبیه نمودار پایین در شکل 3 باشد . شما می توانید اندازه گیری کمی از نحوه تابش میدان بازتاب شده در جهات مختلف از نمودار میدان دور به عنوان تابعی از زاویه بدست آورید. یک روش معمول برای انجام این کار به صورت طرح قطبی است. شما از قبل یک نمودار قطبی پیش فرض دارید که می توانید تغییرات جزئی در آن ایجاد کنید.
1 |
برای نتیجه گیری، یک نمودار مشابه از RCS تک استاتیک در واحد طول ایجاد کنید. در حالی که نمودار میدان دور برای یک زاویه تابش خاص در یک زمان است، این نمودار پراکندگی پشت را به عنوان تابعی از زاویه تابش تجسم می کند.
