[第五课]熟悉HFSS边界条件的类型和设置

HFSS 中定义了多种边界条件类型，边界条件确定场，正确地使用边界条件，是HFSS能够仿真计算出准确结果的前提。这些边界条件主要有理想导体边界条件（Perfect E）、理想磁边界 条件（Perfect H）、有限导体边界条件（FiniteConductivity）、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（Masterand Slave）、理想匹配层（PML） 和分层阻抗边界条件（Layered Impedance）。 -v.\W y~\  
在三维模型窗口点击右键，从弹出菜单中选择【Assign Boundary】操作命令，即可打开 HFSS 中所有边界条件的列表，如图所示。 ?-vWNv  

图片:TIM图片20180205230554.jpg

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（1）理想导体边界条件 O~6%Iz`  
Perfect E是理想电导体边界条件，或简称为理想导体边界条件。这种边界条件的电场矢 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。 tP7<WGHd/  
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。 UZ2_FP  
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。 L_RVHvA=M/  
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。 dN)8r  
（2）理想磁边界 &h5Y_no GX  
Perfect H是一种理想的磁边界条件，这种边界条件的电场矢量与物体表面相切，磁场矢量与物体表面垂直。在真实世界中不存在理想磁边界，它只是理论上的约束条件。在HFSS中理想磁边界可以实现如下两个重要功能。 ^`'\eEa  
1）在背景默认的理想导体边界条件上叠加理想磁边界条件，可以模拟开发的自由空间。 &hI!mo  
2）在理想导体边界叠加理想磁边界将去掉理想导体边界的特性，恢复所选择区域为其原先的材料特性；也就相当于在理想导体边界表面上开个口，允许电场穿过。 } &B6  
注意：在HFSS中，分配边界条件的先后次序也是十分重要的，后分配的边界条件优先于先分配的边界条件。另外定义了边界条件之后，还可以用HFSS-Boundaries-Reprioritize重新调整边界的优先顺序。 7I XWv-  
（3）有限导体边界条件 wW1VOj=6V"  
有限导体边界用来定义为有耗导体的物体表面，它使非理想的导体边界条件。非理想导体的表面电场存在切向分量，用来模拟表面的损耗。有限导体边界条件只有在导体材料为良导体时才有效，也就是说在工作频率范围内，导体的厚度要远大于导体的趋肤深度。任何良导体材料（铜、铝等金属材料）的物体表面都自动定义为有限导体边界。 94BH{9b5  
（4）辐射边界条件 uR5+")r@S  
辐射边界也被称为吸收边界。辐射边界使该边界能够模拟开放的表面。即波能够朝着辐射边界的方向辐射出去。系统在辐射边界处吸收电磁波，本质上就可把边界看成 是延伸到空间无限远处。在HFSS分析辐射、散射类问题时使用辐射边界条件来模拟边界条件来模拟开放的自由空间，常用于天线问题的分析。设计中定义了辐射边界条件后，软件会自动计算该设计的辐射场。 U?le|tK  
注意：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。 %m\:AK[}  
（5）对称边界条件 A}(]J!rc  
对称边界条件是用来模拟理想电壁对称面或者理想磁壁对称面。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。应用对称边界，可以使得在构造结构时仅构造一部分，这就减小了设计的尺寸和复杂性，因此缩短了求解问题的时间。定义对称面应遵循原则：对称面必须暴露于背景；对称面不能穿过3D模型窗口中的物体；对称面必须定义在一个平面上；一个问题中只能定义3个垂直的对称面。若电场垂直于对称面，就使用理想电壁对称面；若磁场垂直于对称面，就使用理想磁壁对称面；为了使设置了对称边界条件结构的端口阻抗和没设置的端口阻抗一致，则需要设置端口阻抗倍乘系数。 >5Yn`Fc5  
（6）阻抗边界条件 u9OY Jo  
阻抗边界条件是以模拟已知阻抗值的电阻性表面。一个用解析公式计算场行为和损耗的电阻性表面。表面的切向电场等于Zs(n xHtan)。表面的阻抗等于Rs +jXs。其中，Rs是以ohms/square为单位的电阻，Xs 是以ohms/square为单位的电抗 分层阻抗（Layered Impedance）边界——在结构中多层薄层可以模拟为阻抗表面。 6/mz.,g2  
（7）集总RLC边界条件 Sk cK>i.[  
集总RLC边界条件是用一组并联的电阻、电感和电容来模拟物体表面。这种仿真类似于阻抗边界，只是软件利用用户提供的R、L和C值计算出以ohms/square为单位的阻抗值。 `}l%61n0  
（8）分层阻抗边界条件 Ne1Oz}  
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值和表面电抗值的。分层阻抗边界条件不支持快速扫频。 WJhTU@'  
（9）无限地平面边界条件 <v|"eq}  
在HFSS中，如果需要将无限大的边界条件表面模拟成无限大的地平面，需要设置无限地平面边界条件。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。 &/]en|f"  
如果要模拟无限大地平面的作用，在设置PEC，PMC等边界时，选择无限大地平面复选框。从概念上讲，无限大地平面将空间分为两部分，上半区和辐射为0的下半区。 >] 'oN  
定义无限大地平面，须满足：无限大平面必须暴露在背景中；无限大地平面必须定义在屏幕上；无限大地平面和对称面的总个数不能超过3；无限大地平面和对称面必须相互垂直。 dDpAS#'s\  
（10）主从边界条件 |6JKB'  
主从边界条件也称为关联边界条件，用于模拟平面周期结构表面。包括主边界和从边界条件，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间的相位差。 KHML!f=mu  
遵循原则：主从边界只能定义在平面上，可以是2D和3D物体表面；一个边界上的 .. |VWT4*K  
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对于常用的边界条件，从这几天建的模型来看，用的最多的是perfect E这个边界，大多数的金属表面都可以用这个理想导体作为边界。还有一些腔体，波导的边界都是用的理想导体仿真电磁波能量损耗。感觉PML也会用的多一些，一些吸收材料的表面都需要匹配层使电磁波能进入到材料中来。其他的边界条件需要在后面经过练习来熟悉其他的边界条件的应用场合。

主从边界主要用来阵列天线，设置一个主边界，其他相同的就是从边界。 WTSh#L  
对称边界，对于模型是对称的，用对称边界只用仿一半，更特殊1/4就可以。 >ahDc!Jyu  
理想匹配层边界（PML），吸收能量的边界，进入匹配层能量迅速衰减。有厚度。数值计算很常用。 0Hnj<|HL  
辐射边界，空气盒子。PML的一种形式，能量到边界就吸收。没有厚度，不用分网格，比PML快。 :j\7</uu  
阻抗边界，分层阻抗边界，集总边界很少用。 q W(@p`  
无限地平面边界，做微带天线的底层。 3jx%]S^z|  
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高版本的HFSS中求解模式中可以自动设定，Auto-open rigion边界条件，不用再外面设一个辐射边界的空气盒子。