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第五章 HFSS的边界条件

GY1242662110 2024-05-08 原文

1. 概述

在电磁场理论学习中我们知道,电磁场问题的求解都归结于麦克斯韦(Maxwell)方程组的求解。在HFSS中波动方程的求解同样是由微分形式的麦克斯韦方程推导出来的。而边界条件定义了求解区域的边界以及不同物体交界处的电磁场特性,是求解麦克斯韦方程的基础。只有在假定场矢量是单值、有界、并且沿空间连续分布的前提下,微分形式的麦克斯韦方程组才是有效的;而在求解区域的边界、不同介质的交界处和场源处,场矢量是不连续的,那么场的导数也就失去了意义。边界条件就是定义跨越不连续边界处的电磁场的特性,因此,正确地理解、定义并设置边界条件,是正确使用HFSS仿真分析电磁场场特性的前提。使用HFSS时,用户应该时刻意识到:边界条件确定场。正确地使用边界条件,是HFSS能够仿真分析出准确结果的前提。


2. 边界条件分类

  • 理想导体边界(Perfect E):电场矢量(E-Field)垂直于物体表面

电场矢量(E-Field)垂直于物体表面。在HFSS中,如下两种情况下的物体边界会被自动设置为理想导体边界条件:
(1)任何与背景相关联的物体表面都将被自动定义为理想导体边界,并自动命名为外部 (Outer)边界条件;这种情况下,HFSS 假定整个结构被理想导体壁包围着。
(2)材料属性设定为理想电导体(PEC)的物体模型表面会被自动定义为理想导体边界,并命名为smetal 边界条件。
注意: 所谓背景是指几何模型周围没有被任何物体占据的空间,默认情况下,任何与背景有关联的物体表面都被自动定义为理想导体边界,并命名为外部(Outer)边 界条件;在 HFSS 中,可以把几何结构想象为外面包围着一层很薄而且是理想导体的材料。如果有需要,用户也可以重新设置与背景相关联的物体表面的边界条件,使其与默认的理想导体边界不同。例如,使用 HFSS 分析设计天线类问题时,与背景相关联的物体表面通常需要重新设置为辐射边界条件。
  • 理想磁边界/自然边界(Perfect H/Natural):电场矢量与物体表面相切,磁场矢量与物体表面垂直;(不存在)

电场矢量与物体表面相切,磁场矢量与物体表面垂直。
自然边界(Natural):当理想导体边界和理想磁边界出现交叠时,理想磁边界也称为自然边界
注意:在理想导体边界上叠加理想磁边界将去掉理想导体边界的特性,相当于在理想导体表面开个口,允许电场穿过。
  • 有限导体边界(Finite Conductivity):用来把物体表面定义为有耗导体,它是非理想的导体边界条件。在有限边界条件的表面,电场存在切向分量用于模拟表面的损耗。

有耗导体/非理性导体边界条件,电场垂直于物体表面,在电磁波的传播方向上电场会愈来愈小
用户需要设置的参数:导电率和导磁率
注意:当物体的材料设置为非理想导体(如铜、铝等金属材料)时,其表面自动定义为有限导体边界条件
  • 辐射边界(Radiation):在HFSS分析辐射问题时,用于模拟开放的自由空间,常用于天线问题的分析。

又称吸收边界条件,用于模拟开放的自由空间,模拟波辐射到空间的无限远处的情况,常用于天线问题的分析。当结构中包含辐射边界条件时,HFSS会自动计算结构的远区场。(使用Perfect H边界条件模拟开放空间时,不会计算远区场)
辐射边界条件是自由空间的近似,这种近似的准确程度取决于波的传播方向与辐射边界之间的角度,以及辐射源与边界之间的距离。辐射边界在各个方向上距离辐射体一般不小于1/4个波长。
  • 对称边界(Symmetry):模拟理想电壁或理想磁壁对称面,在HFSS中应用对称边界条件赫,可以沿着对称边界面将物体一分为二,在建模时只需要创建一个部分,减少物体几何模型的尺寸和设计复杂性,缩短计算时间。

模拟理想电壁或理想磁壁对称面,应用对称边界可以构造结构时仅构造一部分,减小结构的尺寸和设计的复杂性,缩短计算时间。
定义对称平面时,需要遵循以下原则:
1、对称平面必须暴露在背景中
2、对称面必须定义在平面表面上,不能定义在曲面上
3、在一个问题上最多只能定义三个正交对称面
决定对称面的类型:
1、如果电场垂直于对称面且对称,使用理想电壁对称面
2、如果磁场垂直于对称面且对称,使用理想磁壁对称面
此外使用对称边界条件需要设置阻抗乘法器:
1、理想电壁对称面将结构分为两部分时,只有一半的电压值和一半的能量被计算,由Zpu=U*U/P计算出的阻抗也只有真实值的一半,所以需要定义2倍的阻抗乘法器。
2、理想磁壁对称面将结构分为两部分时,只有一半的能量被计算,而电压保持不变,由Zpu=U*U/P计算出的阻抗是真实值的2倍,所以需要定义0.5倍的阻抗乘法器。
  • 阻抗边界(lmpedance):用于模拟已知阻抗值的电阻性表面

用于模拟已知阻抗的边界表面,如薄膜电阻表面;表面的阻抗Zs=Rs+jXs。
阻抗的计算:number of "Square"=Length(in direction of current flow)/Width
Impedance per Square=Desired Lumped Impedance/number of square
  • 集总RLC边界(Lumped RLC):类似于阻抗边界条件,利用用户提供的R、L、C值计算出对应的阻抗值

类似于阻抗边界条件,利用用户提供的R、L、C值计算出对应的阻抗值。与阻抗边界不同的是,集总RLC边界不需要提供以Ohms/Square为单位的电阻和电抗,而是要给出R、L和C的真实值;之后HFSS就能确定任意频率下集总RLC边界以Ohms/Square为单位的阻抗。
  • 分层阻抗边界条件(Lumped RLC):分层阻抗边界条件是用多层结构将物体表面模拟为一个阻抗表面,其效果与阻抗边界条件相同;

分层阻抗边界条件是用多层结构将物体表面模拟为一个阻抗表面,其效果与阻抗边界条件相同;
与阻抗边界条件不同的是,对于分层阻抗边界条件,HFSS是根据输入的分层结构数据和表面粗糙度来计算表面电阻和表面电抗的。
分层边界条件不支持快速扫频。
  • 无限地平面( Infinite Ground Plane ):将有限大的边界表面模拟成无限大地平面的作用

在设置理想导体边界、有限导体边界或阻抗边界时有"Infinite Ground Plane"复选框。将有限大的边界表面模拟成无限大地平面的作用,设置无限大平面边界后,在后处理中会影响近区、远区辐射场的计算。
定义无限大平面时,需要满足以下条件:
1、必须暴露在背景上
2、必须定义在平面上、
3、无限大平面和对称面的总数不超过3个
4、所有无限大地平面和对称面必须相互垂直
  • 主从边界(Master and slave):简称为关联边界条件LBC,主要用于模拟平面周期性结构表面,例如阵列天线

简称为关联边界条件LBC,主要用于模拟平面周期性结构表面,例如阵列天线。
包括主边界条件(Master)和从边界条件(Slave),总是成对出现,且主边界表面和从边界表面的形状、大小和方向完全相同,主边界表面和从边界表面上的电场存在一定的相位差,该相位差就是周期性结构相邻单元之间存在的相位差。
定义主从边界表面时,用户需要正确设置U、V坐标系,保证主从边界表面大小和方向完全一致。
  • 理想匹配层(PML):理想匹配层,是能够完全吸收入射电磁波的假想各项异性材料边界。

理想匹配层,是能够完全吸收入射电磁波的假想各项异性材料边界。理想匹配层有两种典型的应用:一是用于外场问题中的自由空间截断,二是用于导波问题中的吸收负载。
对于导波的吸收负载,理想匹配层模拟导波结构均匀地延申到无穷远处。
对于自由空间截断地情况,理想匹配层地作用类似于辐射边界条件,PML表面能够完全吸收入射过来地电磁波。和辐射边界条件相比,理想匹配层因为能够完全吸收入射的电磁波,零反射,因此计算结果更精确;同时理想匹配层表面可以距离辐射体更近(差不过十分之一个波长即可),不需要像辐射边界表面一般需要距离辐射体大约四分之一个波长

3. 设置边界条件

注意:

  • 默认后设置的边界条件优先于前设置的边界条件可设置:HFSS > bounderies > Reprioritize弹出Reprioritize Boundaries选项框 拖动前后位置,排序越后优先级越高

  • 可在操作树Boundaries下直接删除边界条件

操作步骤:

  • 设置面的边界条件(选中这个面)

  • 方法一:从主菜单设置

  • 方法二:在建模操作界面右键 选中> Assign Boundaries

  • 方法三:在工程树下右键Boundaries > Assign

  • 设置物体四周的边界条件(选中物体对象)

与设置面的操作一致


4. 边界条件具体定义

4-1 理想导体边界(Perfect E)

Perfect E是一种理想电导体或简称为理想导体边界条件。

这种边界条件的电场(E-Field) 垂直于表面。

有两种边界被自动设为理想导体边界条件:

  1. 任何与背景相关联的物体表面都将被自动定义为理想导体边界,并自动命名为外部 (Outer)边界条件;

  1. 材料设为理想电导体(PEC)的物体模型表面会被自动定义为理想导体边界,并命名为smetal 边界条件。

背景结构的说明:

  • 所谓背景是指几何模型周围没有被任何物体占据的空间,任何与背景有关联的物体表面被自动定义为理想导体边界,井命名为外部(Outer)边界条件

  • 我们可以把几何结构想象为外面有一层很薄而且是理想导体的材料,如之前创建的T型波导

  • 如有必要, 也可以改变背景的边界条件,使其性质与理想导体边界条件不同

4-2 理想磁边界/自然边界(Perfect H/Natural)

理想磁边界(Perfect H):

  • Perfect H是一种理想的磁边界,这种边界条件上的电场方向与表面相切,磁场与表面垂直

  • 真实世界中不存在理想磁边界,它只是理论上的约束条件

自然边界 (Natural ):

  • 可以通过理想磁边界模拟出自然边界:当理想导体边界和理想磁边界出现交叠时,理想磁边界也被称为自然(Natural) 边界

  • 背景设置成Perfect H边界条件,可以模拟开放的自由空间(系统默认背景为理想导体边界,若将背景设置成Perfect H边界,相当于在理想导体边界上叠加了理想磁边界)

  • 将理想磁边界叠加到理想导体边界上,将去掉理想导体边界的特性,相当于在理想导体表面开个口,允许电场穿过(使用理想磁边界,可以在不改变物体几何模型的情况下,在理想导体表面上开一个口,允许电场穿过)

4-3 有限导体边界(Finite Conductivity)

有限导体边界(Finite Conductivity)

  • 用于设置有耗导体/非理想导体边界条件

  • 电场垂直于物体表面,在有限边界条件的表面,电场存在切向分量用于模拟表面的损耗。因为是有耗导体,所以在电磁波的传播方向上电场会逐渐减小(如图电磁波从左到右传播)

  • 有限导体边界只在良导体模型下是有效的,即在给定的频率范围内,导体的厚度远远大于趋肤深度

  • 需要用户设置参数: 导电率和导磁率

  • 有限导体边界条件设置对话框

4-4 辐射边界(Radiation)

辐射边界也称为吸收边界(Absorbing Boundary Condition,简称ABC), 用以模拟开放的自由空间,辐射边界就是模拟电磁波辐射到空间的无限远处的情况,常用于天线问题的分析必当结构中包含辐射边界条件时,HFSS会自动计算结构的远区场必Perfect H边界条件也可以模拟开放空间的情况,但该边界条件不计算远区场✧辐射边界条件是自由空间的近似,这种近似的准确程度取决于波的传播方向与辐射边界之间的角度,以及辐射源与边界之间的距离

  • 辐射边界也称为吸收边界(Absorbing Boundary Condition,简称ABC), 用以模拟开放的自由空间,模拟波辐射到空间的无限远处的情况,常用于天线问题的分析。

  • 当结构中包含辐射边界条件时,HFSS会自动计算结构的远区辐射场和近区耦合场。

  • Perfect H边界条件和辐射边界均可以模拟开放空间的情况,但Perfect H边界边界条件不计算远区场。

  • 辐射边界条件是自由空间的近似,这种近似的准确程度取决于波的传播方向与辐射边界之间的角度,以及辐射源与边界之间的距离

  • 可以是任意形状

  • 辐射边界在各个方向上距离辐射体一-般不小于W/4

  • 入射能量和辐射边界表面正交时,计算结果最准确

4-5 对称边界(Symmetry)

**对称边界(Symmetry)**模拟理想电壁或理想磁壁对称面,在HFSS中应用对称边界条件赫,可以沿着对称边界面将物体一分为二,在建模时只需要创建一个部分,减少物体几何模型的尺寸和设计复杂性,缩短计算时间。

  • 定义对称平面时,需要遵循以下原则:

1、对称平面必须暴露在背景中

2、对称面必须定义在平面表面上,不能定义在曲面上

3、在一个问题上最多只能定义三个正交对称面

  • 决定对称面的类型:

  1. 如果电场垂直于对称面且对称,使用理想电壁对称面

沿水平线一分为二,电场垂直于这个平面,并且是对称的,该平面设置为理想电壁对称面

只需建模此图,并定义理想电壁对称面

只需建模此图,并定义理想电壁对称面

  1. 如果磁场垂直于对称面且对称,使用理想磁壁对称面

沿水平线一分为二,磁场垂直于这个平面,并且是对称的,该平面设置为理想磁壁对称面

创建模型时,沿着对称面只创建一半

  • 特性阻抗的计算:

Zpi——用功率(P)和电流(|) 来计算,适合微带线模型

Zpu——用功率 (P)和电压(U)来计算,适合缝隙类结构

Zui ——用电压(U)和电流(I)来计算,适合TEM波

  • 此外使用对称边界条件需要设置阻抗乘法器:

1、理想电壁对称面将结构分为两部分时,只有一半的电压值和一半的能量被计算,由Zpu=U*U/P计算出的阻抗也只有真实值的一半,所以需要定义2倍的阻抗乘法器。(电压时电场强度的线积分,积分长度为一般,所以电压为一半)

2、理想磁壁对称面将结构分为两部分时,只有一半的能量被计算,而电压保持不变,由Zpu=U*U/P计算出的阻抗是真实值的2倍,所以需要定义0.5倍的阻抗乘法器。(电压的积分路径不变,电压不变)

  • 阻抗乘法器的设置:

在设置对称边界的弹出窗口中单击“Impedance Multipler可设置阻抗乘法器的值

4-6 阻抗边界(lmpedance)

阻抗边界(lmpedance): 用于模拟已知阻抗值的电阻性表面

用于模拟已知阻抗的边界表面,如薄膜电阻表面;表面的阻抗Zs=Rs+jXs。其中Rs是以Ohms/Square为单位的电阻,Xs是以Ohms/Squqre为单位的电抗。

  • 阻抗的计算:

number of "Square"=Length(in direction of current flow)/Width(电流流动的方向是表面长度的方向,电流垂直的方向是宽度的方向)

Impedance per Square=Desired Lumped Impedance/number of square(计算阻抗值=已只的集总阻抗值/square的个数)

  • 需要用户设置参数:

4-7 集总RLC边界(Lumped RLC)

  • 集总RLC边界(Lumped RLC):类似于阻抗边界条件,利用用户提供的R、L、C值计算出对应的阻抗值

类似于阻抗边界条件,利用用户提供的R、L、C值计算出对应的阻抗值。与阻抗边界不同的是,集总RLC边界不需要提供以Ohms/Square为单位的电阻和电抗,而是要给出R、L和C的真实值;之后HFSS就能确定任意频率下集总RLC边界以Ohms/Square为单位的阻抗。

4-8 分层阻抗边界条件(Lumped RLC)

  • 分层阻抗边界条件(Lumped RLC):分层阻抗边界条件是用多层结构将物体表面模拟为一个阻抗表面,其效果与阻抗边界条件相同;

分层阻抗边界条件是用多层结构将物体表面模拟为一个阻抗表面,其效果与阻抗边界条件相同;
与阻抗边界条件不同的是,对于分层阻抗边界条件,HFSS是根据输入的分层结构数据和表面粗糙度来计算表面电阻和表面电抗的。
分层边界条件不支持快速扫频。

4-9 无限地平面( Infinite Ground Plane )

  • 无限地平面( Infinite Ground Plane ):将有限大的边界表面模拟成无限大地平面的作用

在设置理想导体边界、有限导体边界或阻抗边界时有"Infinite Ground Plane"复选框。将有限大的边界表面模拟成无限大地平面的作用,设置无限大平面边界后,在后处理中会影响近区、远区辐射场的计算。
定义无限大平面时,需要满足以下条件:
1、必须暴露在背景上
2、必须定义在平面上、
3、无限大平面和对称面的总数不超过3个
4、所有无限大地平面和对称面必须相互垂直

4-10 主从边界(Master and slave)

  • 主从边界(Master and slave):简称为关联边界条件LBC,主要用于模拟平面周期性结构表面,例如阵列天线

简称为关联边界条件LBC,主要用于模拟平面周期性结构表面,例如阵列天线。
包括主边界条件(Master)和从边界条件(Slave),总是成对出现,且主边界表面和从边界表面的形状、大小和方向完全相同,主边界表面和从边界表面上的电场存在一定的相位差,该相位差就是周期性结构相邻单元之间存在的相位差。
定义主从边界表面时,用户需要正确设置U、V坐标系,保证主从边界表面大小和方向完全一致。

4-11 理想匹配层(PML)

  • 理想匹配层(PML):理想匹配层,是能够完全吸收入射电磁波的假想各项异性材料边界。

理想匹配层,是能够完全吸收入射电磁波的假想各项异性材料边界。理想匹配层有两种典型的应用:一是用于外场问题中的自由空间截断,二是用于导波问题中的吸收负载。
对于导波的吸收负载,理想匹配层模拟导波结构均匀地延申到无穷远处。
对于自由空间截断地情况,理想匹配层地作用类似于辐射边界条件,PML表面能够完全吸收入射过来地电磁波。和辐射边界条件相比,理想匹配层因为能够完全吸收入射的电磁波,零反射,因此计算结果更精确;同时理想匹配层表面可以距离辐射体更近(差不过十分之一个波长即可),不需要像辐射边界表面一般需要距离辐射体大约四分之一个波长

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