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HFSS学习笔记
Ansoft HFSS 的边界条件
用Ansoft HFSS求解的波动方程是由微分形式的麦克斯韦方程推导出来的。在这些场矢量和它们的导数是都单值、有界而且沿空间连续分布的假设下,这些表达式才可以使用。在边界和场源处,场是不连续的,场的导数变得没有意义。因此,边界条件确定了跨越不连续边界处场的性质。
作为一个 Ansoft HSS 用户你必须时刻都意识到由边界条件确定场的假设。由于边界条件对场有制约作用的假设,我们可以确定对仿真哪些边界条件是合适的。对边界条件的不恰当使用将导致矛盾的结果。
当边界条件被正确使用时,边界条件能够成功地用于简化模型的复杂性。事实上,Ansoft HFSS 能够自动地使用边界条件来简化模型的复杂性。对于无源RF 器件来说,Ansoft HSS 可以被认为是一个虚拟的原型世界。与边界为无限空间的真实世界不同,虚拟原型世界被做成有限的。为了获得这个有限空间, Ansoft HSS使用了背景或包围几何模型的外部边界条件。
模型的复杂性通常直接与求解问题所需的时间和计算机硬件资源直接联系。在任何可以提高计算机的硬件资源性能的时候,提高计算机资源的性能对计算都是有利的。
一般边界条件
有三种类型的边界条件。第一种边界条件的头两个是多数使用者有责任确定的边界或确保它们被正确的定义。材料边界条件对用户是非常明确的。
1、 激励源
波端口(外部)
集中端口(内部)
2、 表面近似
对称面
理想电或磁表面
辐射表面
背景或外部表面
3、 材料特性
两种介质之间的边界
具有有限电导的导体
背景如何影响结构
所谓背景是指几何模型周围没有被任何物体占据的空间。任何和背景有关联的物体表面将被自动地定义为理想的电边界(Perfect E)并且命名为外部(outer)边界条件。你可以把你的几何结构想象为外面有一层很薄而且是理想导体的材料。
如果有必要,你可以改变暴露于背景材料的表面性质,使其性质与理想的电边界不同。为了模拟有耗表面,你可以重新定义这个边界为有限电导(Finite 拟为阻抗表面。使用分层阻抗边界条件进一步的信息可以在在线帮助中寻找。
集总RLC(Lumped RLC)边界 ——一组并联的电阻、电感和电容组成的表面。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。
无限地平面(Infinite Ground Plane)——通常,地面可以看成是无限的、理想电壁、有限电导率或者是阻抗的边界条件。如果结构中使用了辐射边界,地面的作用是对远区场能量的屏蔽物,防止波穿过地平面传播。为了模拟无限大地平面的效果,在我们定义理想电边界、有限电导或阻抗边界条件时,在无限大地平面的框子内打勾。
辐射边界(Radiation)——辐射边界也被称为吸收边界。辐射边界使你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。辐射边界可以是任意形状并且靠近结构。这就排除了对球形边界的需要。对包含辐射边界的结构,计算的S参数包含辐射损耗。当结构中包含辐射边界时,远区场计算作为仿真的一部分被完成。
激励技术综述
端口是唯一一种允许能量进入和流出几何结构的边界类型。你可以把端口赋值给一个两维物体或三维物体的表面。在几何结构中三维全波电磁场被计算之前,必须确定在每一个端口激励场的模式。Ansoft HFSS 使用任意的端口解算器计算自然的场模式或与端口截面相同的传输线存在的模式。导致两维场模式作为全三维问题的边界条件。
Ansoft HFSS默认所有的几何结构都被完全装入一个导电的屏蔽层,没有能量穿过这个屏蔽层。当你应用波端口(Wave Ports)于你的几何结构时,能量通过这个端口进入和离开这个屏蔽层。
作为波端口的替代品,你可以在几何结构内应用集中参数端口(Lumped Ports)。集中参数端口在模拟结构内部的端口时非常有用。
波端口(Wave Ports)
端口解算器假定你定义的波端口连接到一个半无限长的波导,该波导具有与端口相同的截面和材料。每一个端口都是独立地激励并且在端口中每一个入射模式的平均功率为1瓦。波端口计算特性阻抗、复传播常数和S参数。
模式(Modes)
对于给定横截面的波导或传输线,特定频率下有一系列的场模式满足麦克斯维方程组。这些模式的线性叠加都可以在波导中存在。
模式转换,某些情况下,由于几何结构的作用像一个模式变换器,计算中包括高阶模式的影响是必须的。例如,当模式1(主模)从某一结构的一个端口(经过该结构)转换到另外一个端口的模式2时,我们有必要得到模式2下的S参数。
在单一模式的信号激励下,三维场的解算结果中仍然可能包含由于高频结构不均匀引起的高次模反射。如果这些高
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