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[第五课]熟悉HFSS边界条件的类型和设置

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0楼发表于: 2018-04-09 09:52:13

1、 HFSS中有近10种边界，查阅资料，了解每种边界的作用及用法。
HFSS 中定义了多种边界条件类型，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（Master and Slave）、理想匹配层（PML）和分层阻抗边界条件（Layered Impedance）
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 5.1 所示。

(1)        理想导体边界条件（PerfectE）
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。
A、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。
B、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。
(2)        理想磁边界条件（PerfectH）
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。需要说明的是，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 中灵活应用理想磁边界条件，可以实现如下两个重要功能。
（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，可以模拟开放的自由空间。
（2）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，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表面上开个口，允许电场穿过。例如，使用该功能可以模拟在地平面上开个孔允许同轴馈线进出。
对于理想磁边界叠加到理想导体边界的情况，我们也称之为自然边界条件。
(3)        有限导体边界条件（Finite Conductivity）
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。非理想导体的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。
有限导体边界条件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。如果在工作频率范围内导体的厚度与导体的集肤深度相当，则需要定义为分层阻抗边界条件。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）
辐射边界条件（Radiation）也称为吸收边界条件（Absorbing BoundaryCondition，ABC），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。系统在辐射边界处吸收了电磁波，本质上就可以把边界看成是延伸到空间无限远处。在 HFSS 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。
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theta表示波的传播方向和辐射边界表面之间的角度，下图给出了辐射边界的反射系数与theta之间的关系曲线图。从图中可以看出，当波的传播方向与辐射边界表面正交，即theta=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theta=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）
对称边界条件（Symmetry）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。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。
    （a）对称面必须暴露在背景中。
    （b）对称面必须定义在平面表面上，不能定义在曲面上。
    （c）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。下图所示的矩形波导截面能很好地说明这两种类型对称面的区别，图中给出了波导电场主模（TE10模）示意图。波导有两个对称面，一个是水平方向上经过波导中心的对称面，一个是竖直方向上经过波导中心的对称面。在水平方向的对称面上，电场垂直于该对称面且对称分布，磁场平行于该对称面且幅度不变，因此该平面为理想电壁对称面；在竖直方向的对称面上，磁场垂直于该对称面且对称分布，电场平行于该对称面且幅度不变，因此该平面为理想磁壁对称面。

（6）阻抗边界条件（Impedance）
阻抗边界条件（Impedance）用以模拟已知阻抗值的电阻性表面，如下图所示的威尔金森（Wilkinson）功分器，连接两个导体间的薄膜电阻在 HFSS中就可以使用阻抗边界条件来实现。

在设置阻抗边界条件时，用户需要给出单位为ohm/square 的电阻值 Rs 和电抗值 Xs，如图 5.12 所示，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=Zs（nxHtan）；式中，Zs是前面定义的以Ohm/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。其中，电阻值 Rs和电抗值 Xs可以通过集总的电抗值Zlupmed、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 lumped/N。以图 5.11 所示薄膜电阻为例，假设该薄膜电阻的阻值为35 OhmW，薄膜电阻的长、宽分别为 3.5mils和 4 mils，则 N = 3.5/4 = 0.875 ，单位电阻 Rs = 35/0.875 = 40 Ohm/square，单位电抗 Xs = 0 Ohm/square ；然后在图 5.12 所示阻抗边界条件设置对话框的 Resistance 和Reactance 处分别输入40 和0 即可。

（7）集总 RLC 边界条件（Lumped RLC）
集总 RLC 边界条件（Lumped RLC）是用一组并联的电阻、电感和电容来模拟物体表面。在设置集总 RLC 边界条件时，用户只需要给出集总 R、L、C 的真实值，HFSS 软件会自动计算出工作频率下集总RLC 边界以 Ohm/square 为单位的表面阻抗。对于图 5.11 所示的威尔金森（Wilkinson）功分器，连接两个导体间的薄膜电阻也可以使用集总 RLC 边界条件来实现。
（8）无限地平面（Infinite Ground Plane）
在 HFSS中，如果需要将有限大的边界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（Infinite Ground Plane）。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。
   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）
主从边界条件（Masterand Slave）也称为关联边界条件（Linked Boundary Condition， LBC），用于模拟平面周期结构表面。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。
在定义主从边界条件时，可以直接指定主从边界表面的相位差，或者通过指定扫描角，由软件来计算主从边界表面的相位差。在 HFSS 中，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，图5.17 最右侧的图形是旋转之后的结果。从图中可以看出，旋转之后虽然主从边界表面的方向一致了，但是由于 U、V 相对坐标系的设置不当，  导致主从边界表面不能完全匹配。因此，用户在设置主从边界条件时，需要正确设置 UV 坐标轴的方向。
（10）理想匹配层（PML）
理想匹配层（Perfectly Matched Layers，PML）是能够完全吸收入射电磁波的假想的各项异性材料边界。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伸到无穷远处。
   对于自由空间截断的情况，理想匹配层的作用类似于辐射边界条件，PML 表面能够完全 ..

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离线天秤傑

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