基于COMSOLMultiphysics的電磁波在聚對二甲苯介質中傳播特性研究摘要:電磁場與電磁波,是作為電子以及通信類必修專業基礎課的其中之一,同樣也還是學習微波技術以及天線等后續相關課程的理論基礎.并且電磁波在空間之中的傳播是"電磁場與電磁波"中非常重要的內容之一.我們主要利用COMOSLMultiphysics模擬電磁波在聚對二甲苯介質中的三維傳播情況.通過研究發現電場和磁場透過介質后的強度發生了改變,并且損耗正切值越小透射過介質的電磁波就越強,相應地介質吸收了的電磁波就越少.其次,發現電磁波的強弱與損耗正切值和頻率有關.當損耗正切值一定時,頻率越大透射過介質的電磁波越弱;當頻率一定時,損耗正切值越大,透射過介質的電磁波越弱.關鍵詞:電磁波;二甲苯介質;COMOSLMultiphysics目錄TOC\o"1-2"\h\u299631引言 138602電磁波在不同介質下的傳播理論 250072.1電磁波均勻有耗煤質之中的傳播 2181862.2電磁波在回旋介質之中的傳播 3327092.3電磁波在等離子體之中的傳播 3231102.4電磁波在電離層之中的傳播 35372.5電磁波在導電煤質之中的傳播 4215763利用COMSOLMultiphysics模擬電磁波的三維傳播 4291093.1太赫茲波的傳播示意圖 5191213.2透射譜與吸收譜 593173.3各個頻點處的電磁場的分布情況 6163904電磁波在實際中的應用 11119915總結 1110612參考文獻 131引言隨著電磁波研究領域的不斷進步,對電磁波的研究已成為當今社會的研究熱點,能夠通過做實驗來深入理解電磁場的理論知識,但是由于這部分內容復雜抽象,結構非常嚴謹,理論性非常強,從這些趨勢中看出并且具備動態時變的特點,所探索的內容不僅僅看不見而且也摸不著,在學習的過程中很難創建對電磁波波動性的感性認識,因此,借助COMOSLMultiphysics來仿真模擬此實驗.1864年,英國科學家麥克斯韋在總結前人研究電磁現象的基礎上,建立了完整的電磁波理論.他斷定電磁波的存在,推導出電磁波與光具有同樣的傳播速度.1887年,德國物理學家赫茲用實驗證實了電磁波的存在.之后，人們又進行了許多實驗,不僅證明光是一種電磁波,而且發現了更多形式的電磁波,它們的本質完全相同,只是波長和頻率有很大的差別.電磁波的傳播有四個基本傳播途徑形式.其中地波指的是電波在傳播的時候它是緊挨氣體和地面傳播的（李曉東，張文博，王俊宇,2022).當在地波傳播時,由于地面會逐步的收到能量,因此它就會很快的變弱,這無疑暴露出導致了它不會傳播很遠的距離.直射波也能夠被叫為空間波,它主要是指無線電波從發出端開始發出然后經過空間直線傳播到收到端的傳播的方式,它無法傳播的很遠,通常在能夠看得到的范圍內.天波指的是從天線朝著天上進行輻射的電磁波,通過空氣的電離層折射,繼而又到達大地的無線電波.散射傳播是一種指散射是從已經發出的電磁波在投到電離層或者是高度較低的大氣層內的不均勻的氣體時發生的,只有一些能夠到達收到點.雖然它能夠散射傳播很遠的距離,但是由于它的效率很低而且進行操作很困難,因此它并沒有被廣泛的應用(劉思韻，陳晨曦，周子和,2023).電磁波的傳播最重要的特性有四個.趨膚效應就是指射頻信號僅僅在導體內具有或者是在自由的空間中有憑借波的形式,從中可以表明并且它只可以在導體的表面存在,不能深入到導體的內部.當射射頻信號本身不在一個導體的周圍，而是射頻信號本身成為了電磁波在自由空間中進行運動,那么就可能會受到自由空間消耗.自由空間損耗就是指如果一個接收機與一個發射機離的遠,這在一定程度上預兆了那么這個接收機所能夠收到的信號功率也就只能是占據了發射機發出的功率的一點,因為大多數的能量全被分布了.世界上存在很多物體,當射頻遇到它們時,射頻信號就會變小,例如空氣、墻等(張志華，李天佑，王怡萱,2021).吸收就是指當把這些物體當做是帶有插入損耗的器件時,那么這些物體就會帶有插入損耗.反射就是指當射頻再遇到某些物體時,那么射頻信號的方向就會發生改變(周逸和，劉思琪，張博文,2021).COMOSLMultiphysics是一款大型高級數值仿真軟件,其具有高度的開放性、杰出的易用性以及優秀的計算性能等優勢.通過COMSOLMultiphysics軟件仿真能夠將難懂的電磁內容可視化,這在某種程度上驗證了能夠更好地了解,并且很容易來運用這個軟件[1-2].本篇文章介紹了電磁波在導電煤質、等離子體、電離層、回旋介質等幾種不同介質之中的傳播規律,并且還用COMSOLMultiphysics模擬了電磁波在聚對二甲苯介質中的三維傳播情況,將難以掌握的物理現象以及理論知識通過COMSOLMultiphysics模擬仿真的圖像生動、形象的展現出來(王紫萱，陳雪婷，李俊杰,2022).2電磁波在不同介質下的傳播理論2.1電磁波在均勻有耗煤質中的傳播當一個煤質的電導率是,,時,電磁波在這種煤質內進行傳播的麥克斯韋方程組的形式是(李博然，趙思源，王瑾萱,2020): , (1) , (2) , (3) , (4)其中為等效介電常數,當介質是無耗煤質的時候,,.此類煤質的電磁波的波動方程是(劉凱琳，張宇航，周文博,2019): , (5) , (6)是傳播常數,因此能夠得到(假設傳播方向是z)的傳播方程是(王天澤，趙子萱，陳宇和,2023): , (7) , (8)其中的 , (9) , (10) . (11)式子中的α表示衰減常數,β表示相位常數(李星宇，周佳怡，張曉馮,2022).當煤質是均勻無耗的煤質的時候,衰減常數為,相位常數為.一定意義上展現了由上面的內容能夠看出來,電磁波在均勻有耗煤質像(,例如水)內進行傳播的方式與均勻無耗煤質像(,像真空)內進行傳播的方式是不一樣的,如果電磁波的傳播發生在無耗煤質內,那么,如果電磁波的傳播發生在導電煤質內,那么,并且電磁波進行傳播的時候會變弱,與此同時還制約了導電煤質內的無限電波的傳播長度(劉思遠，王文靜，陳嘉瑞,2022)[3].對于這一結果與葛飛合教授的研究結果一致，無論是在設計過程還是最終的分析結果上面，首先在設計過程中，采用了系統化的研究方法，確保了從概念形成到方案實施的每一步驟都能有據可依。本研究同樣重視理論框架的構建，這不僅為具體的設計決策提供了堅實的理論基礎，還促進了對相關變量之間復雜關系的理解。此外，在設計階段本文強調跨學科的合作，通過整合不同領域的專業知識提高了設計方案的全面性和創新性，這種做法使得研究團隊能夠及時響應新出現的問題，并根據實際情況靈活調整研究路徑。2.2電磁波在回旋介質中的傳播回旋介質能夠被區分為兩種介質,旋電介質以及旋磁介質[4].第一個介質的介電常數是厄米張量,這在一定程度上昭示第二個介質的磁導率為張量.等離子體通常是電子與離子共同合成的,當電磁波的傳播發生于等離子體內,電場與磁場會影響電子與離子,因此就會使它們的運動發生變化(張文杰，趙瑞婷，李宇翔,2020).旋電介質屬于是一類很不一般的介質,有很多的特點,首先,它與各向同性介質有差別,它為各向異性的介質,這在一定程度上預示了因此它的介電常數就為張量(王子凡，劉玉婷，張啟航,2022);其次,旋電介質與單軸介質的特征是不一樣的,它包含了單軸介質沒有的特征;最后,由于有外加磁場的存在,電磁波在進行傳播時能夠受它的制約,因此它就可以在某種程度上控制著電磁波.2.3電磁波在等離子體中的傳播等離子體為一類頻率色散的介質,它的介電張量與它的角頻率有關,因此如果波的頻率不同,那么它的介電張量也是不同的.日常生活中的物質大部分都是由等離子體組成的,并且空間等離子體還會對電磁波傳輸以及散射特性形成干擾(李浩宇，陳嘉琪，周晨曦,2022)[5].利用已獲成果可以推導出以下觀點空間等離子體對電磁波傳輸、散射特性的影響主要與等離子體中的電子密度、離子密度、碰撞頻率等因素有關.等離子體也會受到磁場和電場的影響,所以波在等離子體中的傳播也會受到像地球磁場這種比較弱的磁場的影響(劉思涵，張天宇，趙文博,2023).2.4電磁波在電離層之中的傳播電離層指的是由離子、電子和中性粒子共同構成的,它本身是有著等離子體的一些特點的[6],如果電磁波是在電離層內進行傳播的，那么這會是一個復雜的過程,電離層內的電子會影響到電磁波的傳播,這在某種程度上象征并且電磁波的傳播還會受到地磁場以及中性大氣的影響,當電磁波在電離層內進行傳播的時候,電磁場也會影響到電子以及離子(王天瑞，李梓悅，陳浩然,2022).為保障研究結果的可靠性和可信度，本文首先通過廣泛搜集和審閱國內外相關領域的經典與前沿文獻構建了一個堅實的研究背景框架。這不僅幫助本文明確了研究問題的獨特貢獻點，也確保了本文的研究建立在充分理解現有知識的基礎上，本文精心挑選了多種來源的第一手和第二手資料包括但不限于類似文獻、官方報告等。這些資料的選擇基于其權威性、時效性和代表性，以確保能夠從多個角度全面地反映研究主題發展的真實情況。2.5電磁波在導電煤質中的傳播導電煤質的電導率,這也是它的一個獨特的特點,如果電磁波的傳播發生在導電煤質里,是有傳導電流的,并且在這個時候也或許會失去很多的電磁能量.從這些活動中看出根據下列亥姆霍茲方程可以得到均勻平面波沿著+z軸方向傳播的方程是(張紫薇，趙俊豪，李詩雅,2021): , (12)它的傳播特性參數變為了復數.使,那么解得的均勻平面波為: (13)它的瞬時值的形式是(劉子和，王紫涵，周彥宏,2022): , (14)與它對應的磁場是: , (15) . (16)根據上面的這些內容能夠清晰看出來,均勻的平面波在導電煤質之中進行傳播的時候,它的磁場、電場和傳播方向之間的關系是互相垂直的.但是煤質的本征阻抗是一個復數,磁場和電場的相位是不一樣的,并且在波傳播的時候,磁場和電場的振幅是以指數減小的(李文彬，張怡然，趙思源,2022).3利用COMSOLMultiphysics模擬電磁波的三維傳播目前已經存在大量有關電磁波傳播方面的研究.電磁波在弱導電媒介和良導體中的一維傳播狀況已經被研究[7].研究的結果表明不管是在弱導電媒介還是良導體中,電場和磁場以及電磁波的傳播方向之間的關系是彼此垂直的,且電場與磁場的變化不會再同步,即電場是在磁場之前的(王子航，李雪慧，劉浩宇,2023).本章主要利用COMSOLMultiphysics模擬電磁波在聚對二甲苯薄膜中的三維傳播情況.3.1太赫茲波的傳播示意圖圖1給出了太赫茲(THz)波在聚對二甲苯薄膜（Parylene）中一個周期的傳輸示意圖.其中聚對二甲苯介質的相對介電常數可以表示為:,薄膜的厚度為120um.電場()方向和磁場()方向以及電磁波傳播方向三個互相垂直如圖中所示(周俊杰，張子琪，李凱琳,2022).圖1太赫茲(THz)波在聚對二甲苯(Parylene)薄膜中一個周期的傳輸示意圖3.2透射譜與吸收譜圖2給出了Parylene介質的相對介電常數的實部為固定值2.6時,電磁波在三個不同損耗角正切值下的透射譜(a)和吸收譜(b).其中表示電磁波透過薄膜時的損耗,其值越大損耗越大表示電磁波穿過薄膜時透過薄膜的電磁波減少,而薄膜吸收的電磁波增加(劉穎慧，王瑾瑤，陳宇翔,2022).從這些趨勢中看出從圖中我們也可以清晰的看出在同一頻率下,綠色的曲線表示電磁波穿過薄膜時的損耗最大,那么它在透射譜中必定位于最下面,相反在吸收譜中位于最上面(張晨曦，趙思源，李嘉瑞,2021).圖2給出的是頻率范圍在2THz-9THz的透射譜和吸收譜.從圖中的透射譜可以看出在這個頻率限制內會出現9個透射最強的頻率,即曲線峰值所對應的頻率.這無疑暴露出我們分別選出第1、3、5、7、9個最大值處的頻率來研究電磁波在這五個頻率（2.3292THz,3.8708THz,5.4202THz,6.9775THz,8.5348THz）下的傳播情況見下面的圖所示(王雅婷，劉思琦，張瑞宇,2022).圖2不同損耗角正切值下的(a)透射譜,(b)吸收譜3.3各個頻點處的電磁場的分布情況(1)當Parylene介質的損耗角正切值時,各頻點處的電場強度、磁場強度的分布(李志鵬，周嘉琳，趙紫涵,2021):2.3292THz處的強度和強度,;.3.8708THz處的強度和強度,;.5.4202THz處的強度和強度,;.6.9775THz處的強度和強度,;.8.5348THz處的強度和強度,;.圖3為損耗角正切值時,5個不同頻率下的電場和磁場分布圖圖3分別給出了損耗角正切值時,第1,3,5,7,9個最大值對應頻率處電場和磁場在Parylene介質的三維傳播情況.從中可以表明圖中紅色到藍色依次表示電磁場由最強到最弱(陳曉婷,吳浩然,2021).從圖中可以看出電場和磁場一樣經歷的是由最強到最弱再由最弱到最強的變化.從圖中還可以看出電場和磁場強度由強到弱反復的過程中到后面的最強比前面的最強顏色明顯變淺,也即說明了電磁波在傳播過程中由于能量的損失使得電磁場強度在逐漸減小.這與參考文獻[7]中一維的情況是相同的(張宇和，李雪珂，趙天宇,2022).對于這一部分的創作借鑒了章和寧教授的相關主題的研究，主要體現在思路和手法方面，在思路上遵循了其強調的系統性與邏輯性的原則。通過深入分析研究對象的內在結構和運作機制，本研究不僅吸收了章教授提出的多層次、多角度審視問題的方法論，還進一步將這些理念應用于具體實踐中以確保研究結果的全面性和準確性。在手法上本文采納了章教授所提倡的定量與定性相結合的研究方法為研究提供了堅實的數據支持和理論依據。(2)當Parylene介質的損耗角正切值時,各頻點處的電場強度、磁場強度的分布(王子翔，劉雪婷，張怡萱,2020):2.3292THz處的強度和強度,;.3.8708THz處的強度和強度,;.5.4202THz處的強度和強度,;.6.9775THz處的強度和強度,;.8.5348THz處的強度和強度,;.圖4為損耗角正切值時,5個不同頻率下電場和磁場的分布圖圖4分別給出了損耗角正切值時,頻率分別為2.3292THz、3.8708THz、5.4202THz、6.9775THz、8.5348THz時電場和磁場在Parylene介質的三維傳播情況.圖中紅色到藍色依次表示電磁場由最強到最弱(李思遠，趙麗萍，周昊宇,2020).這在一定程度上預兆了從圖中可以看出電場和磁場同樣經歷的是由最強到最弱再由最弱到最強的變化.與的情況相比,在相同的頻率2.3292THz處,即圖1(a)與圖6(a)相比我們發現電場最強處顏色明顯變淺,電場強度減弱,這在某種程度上驗證了這是由于損耗變大則電場穿過聚對二甲苯薄膜時吸收的會增強而透射過去的部分會減少.這正好與第二部分的吸收、透射譜相吻合(張宸妍，劉建華，王子凡,2022).(3)當Parylene介質的損耗角正切值時,各頻點處的電場強度、磁場強度的分布:2.3292THz處的強度和強度,;.3.8708THz處的強度和強度,;.5.4202THz處的強度和強度,;.6.9775THz處的強度和強度,;.8.5348THz處的強度和強度,;.圖5為損耗角正切值為時,5個不同頻率下的電場和磁場的分布圖圖5分別給出了時,個頻點處電場和磁場在Parylene介質的三維傳播情況.由圖11(b)到圖15(b)我們只看最前面的顏色我們發現由紅色逐漸減弱到綠色,這說明磁場強度在隨著頻率的增加而減弱(李昊天，周紫薇，趙文華,2022).4電磁波在實際中的應用電磁波指的是在彼此垂直并且相位一樣的磁場和電場內形成出來的振動粒子波[8].電磁波可以不依靠介質傳播，在真空中的傳播速度等同于光速.由于電磁波的傳播方向、電場方向、磁場方向三者相互垂直,一定意義上展現了所以電磁波屬于橫波(李嘉和,王睿昊,2022).人的眼睛能夠承受的電磁輻射,它的波長大概是處于380到780納米這個范圍內.如果熱力學最小的溫度比事物本身的溫度小,那么這個事物就能夠放出電磁輻射,但是世界上并沒有溫度低于或者等于熱力學最小的溫度的物質.這在一定程度上昭示在現如今的社會中電磁波已經擴散在了我們身邊的方方面面[8],電磁波的發展使我們的生活變得更加的輕松快樂.例如在無線電廣播之中的聲音信號就會轉變為電信號,然后將這些信號由頻率較高的振蕩的電磁波向周圍地方傳播發送(張文博,陳思琪,2023)[8]..對此本文也進行了結論的復核，首先在理論上確保了研究結論與現有學術框架的一致性。本文仔細比對了本研究得出的主要結論與相關領域內已被廣泛接受的理論以驗證其合理性和邏輯嚴密性。通過這一過程，本文確認了研究結果不僅能夠得到現有理論的支持，而且在某些方面提供了新的見解或補充，進一步豐富和完善了相關理論體系。其次，在實證層面本文重新分析原始數據、使用不同的統計工具和技術進行交叉驗證、以及引入外部數據集作為對照樣本等措施。通過這些手段本文力求排除任何可能影響結論準確性的偏差因素，保證研究發現的真實性和普遍適用性。收音機也是在電磁波的接收儀器收到電磁波之后,把收到的電磁波內的電信號轉變成聲音信號,然后就可以聽到不同頻段的廣播了.電磁波也使醫療保健這一范疇得到了飛快的進步,例如,這在一定程度上預示了在我們家庭之中會用到的醫用的儀器,都是通過不斷地變化，不斷地改進提高,利用不同頻率范疇內的電磁波來進行發展的.并且與此同時電磁波在加熱日常的食品里也有著十分廣泛的應用,例如我們在生活中經常會看到用到的加熱的產品--微波爐,就是通過微波的有關特性來加熱食品的,它是使食品在微波場之中接收微波能量來完成食品自己加熱的工作(林澤,劉俊杰,2023).并且電磁場與電磁波在利用電子產品來進行聯系的這一方面中,包括微波通訊方面、衛星通信方面以及移動體之間的通信這幾個方面,都可以看出來電磁波為電子通信這一方面的發展做了非常大的貢獻[9].因此,電磁波不管是在加熱食品方面還是通信通訊方面或者是醫療健康方面的用處全部是十分普遍的,然而這一些方面只是占了電磁波在我們周圍生活應用的一小塊,由此就可以知道電磁波在我們的周圍扮演了一個非常重要的角色.5總結本文主要利用COMSOLMultiphysics軟件對電磁波