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[第五课]HFSS边界条件类型和设置

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0楼发表于: 2018-02-05 20:04:40

HEFSS 中定义的多种边界条件类型，包括理想导体边界条件(perfect E)、理想磁边界条辐射边界条件(perfect H)、有限导体边界条件(finite conducyivity)、辐射边界条件(radiation)、对称边界条件(symmetry)、阻抗边界条件(impedance)、集总RLC 边界条件(lumped RLC)、无限地平面(infinite ground plane)、主从边界条件(master and slave)、理想匹配层(PML)、分层阻抗边界条件(layered impedance)。
1、理想导体边界条件(Prefect E)
作用:设定理想导体边界条件后，HFSS假定整个结构被理想导体壁包围
用法:用于任何与背景相关联的物体表面，并自动命令为外部边界条件。也用于材料属性设定为理想电导体(PEC)的物体模型表面
2、理想磁边界条件( Prefect E)
作用:背景默认的理想导体边界上叠加理想磁边界条件，可以模拟开放的自由空间。在理想导体边界上叠加理想磁边界条件，恢复所选区域为其原先的材料特性
用法:电场矢量与物体表面相切，磁场矢量与物体表面垂直，是理论上的约束条件
3、有限导体边界（Finite Conductivity）
作用: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。表面电场存在切向分量，用以模拟表面的损耗。和有耗导体
材料的定义相似，为了模拟有耗导体的表面损耗，在定义有限导体边界条件时，用户需要提供以西门子/米（S/m）为单位的损耗参数—电导率，据此可以计算表面电场的切向分量，即Etan = Zs (n× Htan)
式中，Zs 是边界的表面阻抗，Zs = (1+ j)/ δσ ；δ 是有耗导体的集肤深度，δ = 2 /ωµσ ;ω 是电磁波的角频率；σ、µ 是需要用户提供的导体的电导率和磁导率；n 是表面法向单位矢量；Htan 是磁场的表面切向分量。
用法:只有在导体模型为良导体时才有效，也就是说在工作频率范围内，导
体的厚度要远大于导体的集肤深度。
任何非理想导体材料（如铜、铝等金
属材料）的物体表面都自动地定义为有限导体边界。
4、辐射边界条件（Radiation）
作用:在 HFSS 分析辐射、散射类问题时用以模拟开放的自由空间，常用于天线问题的分析。
用法: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
边界表面之间的角度以及辐射源与边界表面之间的距离。这里以θ 表示波的传播方向和辐射边界表面之间的角度，当波的传播方向与辐射边界表面正交，即θ =0°时，电磁能量几乎全部被边界吸收，反射系数最小，此时仿真计算结果最准确；当波的传播方向与辐射边界表面平行，即θ =90°时，电磁能量几乎全部被辐射边界反射回去，此时仿真计算结果的准确度最差。另外，通常情况下，为了保证计算结果的准确度，辐射边界距离辐射体应不小于 1/4 个工作波长。
5、对称边界条件（Symmetry）
作用:用来模拟理想电壁对称面或者理想磁壁对称面。在 HFSS中，应用对称边界条件，可以沿着对称面将模型一分为二，在建模时只创建模型的一个部分，这样能够减少物体模型的几何尺寸和设计的复杂性，有效地缩短问题求解的时间。
用法:使用对称边界条件，在定义对称面时需要遵循以下几个原则。
（1）对称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）同一个设计最多只能定义 3 个相互正交的对称面
在应用对称边界条件之前，用户首先需要确定对称面的类型。HFSS 中有理想电壁和理
想磁壁两种类型的对称面：如果电场垂直于对称面对称，那么就使用理想电壁对称面；如果磁场垂直于对称面对称，那么就使用理想磁壁对称面。由于只需构造模型的一部分，端口的尺寸发生了变化，
因此端口处的电压、电流和功率都有可能与完整的模型不同，进而影响到端口的特性阻抗。为了使定义了对称边界条件后，物体的端口特性和原端口保持一致，在定义对称边界条件时需要正确设置阻抗倍乘器（Impedance Multiplier）。
6、阻抗边界条件（Impedance）
作用:用以模拟已知阻抗值的电阻性表面
用法:在设置阻抗边界条件时，用户需要给出单位Ω/square 的电阻值 Rs 和电抗值 Xs，表面的阻抗值 Zs = Rs + jXs。据此，阻抗边界条件上的表面电场切向分量为Etan= Z s(n×Htan),其中，Zs 是前面定义的以Ω/square 为单位的表面阻抗；n 是表面法向单位矢量；Htan 是磁场的表面切向分量。电阻值 Rs和电抗值 Xs可以通过集总的电抗值 Z 集总、表面长度 L 和宽度 W 这 3 个参数计算得出。这里，定义电流流经的方向为表面长度 L 的方向，square 的个数 N = L/W，单位表面阻抗 Zs = Z 集总/N。
7、集总 RLC 边界条件（Lumped RLC）
作用:是用一组并联的电阻、电感和电容来模拟物体表面。
用法:表面切向电场分量为
Etan=Zs(n×Htan)，Zs=Rs+jXs，Zs 是以Ω/square 为单位的表面阻抗，n 是表面法向单位矢量；Htan 是磁
场的表面切向分量。

8.无限地平
面边界条件（Infinite Ground Plane）
作用:在理想导体边界条件、有限导体边界条件和阻抗边界条
件的设置对话框中，都有 Infinite Ground Plane 复选框，选中该复选框即表示将该边界条件同
时设置为无限大地平面边界。设置无限大地平面边界条件只影响后处理过程中近区、远区辐
射场的计算结果。
用法:设置无限大地平面边界条件时，需要满足以下要求。
（1）无限大地平面必须暴露在背景上。
（2）无限大地平面必须定义在平面上。
（3）无限大地平面和对称面的总数不能超过 3 个。
（4）无限大地平面和对称面必须互相垂直。
9、主从边界条件（Master and Slave)
作用:用于模拟平面周期结构表面
用法:主从边界条件包括主边界和从边界两种边界条件，二者
总是成对出现的，且主边界表面和从边界表面的形状、大小和方向必须完全相同，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
建立一对主、从边界表面，除了要求主、从边界表面形状大小完全相同外，
还必须使用 UV 相对坐标系来设置主、从边界表面的方向，以保证主从边界表面方向的一致
性。以图 5.17 为例，要使图中的主、从边界表面完全匹配，相应的从坐标系需要沿逆时针旋
转 90°，以保证 U、V 方向轴方向一致
10、理想匹配层（Perfectly Matched Layers，PML）
作用: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。
用法:对于导波的吸收负载，理想匹配层模拟导波结构均匀地延伸到无穷远处。
对于自由空间截断的情况，理 ..

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