HFSS基础培训教程——边界条件

©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.1ANSYS,Inc.Proprietary©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.1ANSYS,Inc.ProprietaryHFSS基础培训教程边界条件ANSYS中国©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.2ANSYS,Inc.ProprietaryHFSS设计流程DesignSolutionTypeParametricModelGeometry/MaterialsAnalysisSolutionSetupFrequencySweepAnalyzeResults2DReportsFieldsBoundariesExcitationsMeshRefinementSolveMeshOperationsConvergedFinishedUpdateNOYESSolveLoop©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.3ANSYS,Inc.Proprietary•有限元法求解Maxwell方程组–几何结构–材料特性–源和边界条件电磁场数值求解有限元解解析解网格剖分©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.4ANSYS,Inc.Proprietary求解流程前处理建立结构，定义材料，设置端口和边界条件求解网格剖分，电磁场求解后处理矩阵参数、电磁场分布、辐射©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.5ANSYS,Inc.Proprietary求解流程前处理建立结构，定义材料，设置端口和边界条件求解网格剖分，电磁场求解后处理矩阵参数、电磁场分布、辐射©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.6ANSYS,Inc.Proprietary求解流程前处理建立结构，定义材料，设置端口和边界条件求解网格剖分，电磁场求解后处理矩阵参数、电磁场分布、辐射©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.7ANSYS,Inc.Proprietary求解流程前处理建立结构，定义材料，设置端口和边界条件求解网格剖分，电磁场求解后处理矩阵参数、电磁场分布、辐射©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.8ANSYS,Inc.Proprietary•仿真算法的需要–辐射边界条件，PML•简化模型，减少计算量，提供使用的灵活性–良导体损耗计算，薄层导体结构处理，镀层、薄膜电阻–集总参数元件–薄层介质结构–对称性结构，周期性结构•理论研究–强制电磁场按照所定义的方式分布•注意：错误的边界条件定义会直接导致错误的计算结果边界条件的作用©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.11ANSYS,Inc.Proprietary1.PerfectE2.PerfectH3.FiniteConductivity4.Impedance5.LayeredImpedance6.ScreenImpedance7.Radiation8.Symmetry9.Master&Slave10.LumpedRLC11.PML(PerfectMatchedLayer)HFSS中的边界条件©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.12ANSYS,Inc.Proprietary•与背景的交接面自动定义为Outer，即PerfectE•良导体的表面自动定义为PerfectE或FiniteConductivity•不同介质之间的交接面自动定义为自然边界条件NaturalHFSS中的缺省边界条件©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.13ANSYS,Inc.Proprietary•后定义的边界条件覆盖前面定义的边界条件•几种例外情况：–端口不被覆盖–如果用PerfectH覆盖PerfectE边界条件，则覆盖区域的边界条件实际为Natural，即自然边界条件边界条件的优先级©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.14ANSYS,Inc.Proprietary•电场垂直的面•相当于理想导体的表面–电导率为无穷大（计算时取1e37）。•应用于对称边界条件•理想地平面–可以将InfiniteGroundPlane选项选中，表示无限大的地平面•缺省的边界条件OuterPerfectE–整个模型与做图背景的交接面会被自动赋予OuterPerfectEPerfectEBoundary*larperpendicuE©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.15ANSYS,Inc.Proprietary•应用实例–不考虑损耗或损耗可以忽略的金属面PerfectE微带线的地同轴线的外导体厚度为零（可忽略）的信号线©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.16ANSYS,Inc.Proprietary•磁场垂直的表面–对于Outer定义PerfectH，则相当于理想开路•作为对称边界条件使用–PerfectH•用于定义自然边界条件（Natural）–用PerfectH覆盖PerfectE边界条件，则覆盖区域的边界条件实际为Natural，即自然边界PerfectHPerfectHBoundaryparallelE‘Natural’BoundarycontinuousE©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.17ANSYS,Inc.Proprietary•应用实例–对Outer定义PerfectH相当于理想开路–在内部定义，用PerfectH覆盖PerfectE，用以在地平面上开孔PerfectH实例首先定义PerfectE将其中的局部定义为PerfectHPerfectH定义的区域实际为自然边界条件，相当于在零厚度的金属平面上开孔©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.18ANSYS,Inc.Proprietary•参数：电导率和相对磁导率–对于零厚度的导体需要考虑金属损耗时–直接利用趋肤深度计算并修正金属损耗–选中InfiniteGroundPlane，可表示无限大的有耗地平面•也可以用材料特性定义–选择UseMaterial，在材料库中选择构成零厚度的金属材料特性。FiniteConductivityFiniteConductivityBoundarygattenuatinlar,perpendicuE©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.19ANSYS,Inc.Proprietary•薄膜电阻，定义由电导率和厚度确定的方块电阻–与FiniteConductivity使用相近–无须考虑电阻性材料的厚度，无须对薄膜电阻物体内部进行场求解–电阻和电抗值可以定义为变量•应用于辐射问题–定义真空中的波阻抗377欧姆：PML物体的外表面Impedance©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.20ANSYS,Inc.Proprietary•Wilkenson功分器中的平衡电阻–如果用薄膜电阻实现，需要的阻值是35欧姆–薄膜电阻长3.5Mil（沿着电流的流向），宽4Mil–长宽比N和方块电阻计算如下Impedance应用实例squareNRRNlumpedsheet/40875.35875.045.3©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.21ANSYS,Inc.Proprietary•用于更细致地计算金属的损耗效应–金属表面粗糙度对损耗的修正–对于金属镀层的处理•设定各个镀层的属性和厚度，计算趋肤状态下的损耗–通过Layer定义各个金属层•Internal选项用以描述厚度为零（或可忽略）的金属面•输入任意的频率，点击[Calculate]根据镀层定义计算金属损耗LayeredImpedance2wcK6.12exp1hsKwh:平均粗糙度、s:金属厚度©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.22ANSYS,Inc.Proprietary•分层阻抗边界条件的Internal选项LayeredImpedance不选：用于三维金属的表面CopperNickelGold0.2μm0.5μm∞CopperNickelGold0.2μm0.5μm1μm选中：用于二维金属表面©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.23ANSYS,Inc.Proprietary•应用于电磁辐射问题仿真–辐射区域可以和辐射体共形，减少求解空间–在辐射区域的外表面定义，吸收来自辐射体的电磁波–计算天线等强辐射问题时，距离辐射体应当至少λ/4–对于弱辐射问题，仅考虑辐射损耗，不关心远场时，可以小于λ/4•天线辐射特性计算–在定义辐射边界条件的面上积分得到远场辐射方向图（默认）•也可以自行定义计算远场时的积分面（建立Facelist)–辐射边界条件上的网格密度对于天线辐射特性的计算精度有影响Radiation©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.24ANSYS,Inc.Proprietary•辐射边界条件的吸收性能与入射角相关–入射角大于40度时，吸收效果明显降低–未被吸收的场将会反射回模型中，从而影响场仿真结果Radiation-100-80-60-40-20020ReflectionCoefficient(dB)0102030405060theta(deg)ReflectionCoefficient(dB)708090辐射边界条件的反射系数与入射角的关系注意：对于大多数结构来说，Radiation的精度是足够的，但是，如果用周期性边界条件建立了阵列天线，由于波束指向的不确定性，辐射边界条件的精度不足以得到正确的结果解决方法：用PML.©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.25ANSYS,Inc.Proprietary•定义辐射边界条件时选中“AdvancedOptions”–RadiationOnly：等同于一般的辐射边界–IncidentField和EnforcedField：用于在Datalink时连接的外加场–软件自动在IncidentField和EnforcedField边界上积分，将外加场映射到面上–外加场的来源：•HFSS，SIwave，DesignerPlanarEM–IncidentField：吸收从模型反射出的场–EnforcedField：不吸收反射场Radiation的高级选项©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.26ANSYS,Inc.Proprietary•应用实例RadiationRadiation边界条件λ/4λ/4λ/4λ/4天线：强辐射问题传输线：弱辐射问题必须大于λ/4可以小于λ/4©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.27ANSYS,Inc.Proprietary•对称边界条件–条件：几何结构对称；场分布对称；对称面在整个图形的最外侧，与背景相交接–根据对称特性，可定义PerfectE对称或PerfectH对称–可以显著减少计算量和内存消耗•阻抗倍增系数：ImpedanceMultiplier–当对称面穿过端口以后，对端口阻抗的求解结果产生影响，必须设置阻抗倍增系数对端口阻抗进行修正–PerfectH对称：IM=0.5；PerfectE对称：IM=2Symmetry举例：微带线结构用对称边界求解定义的PerfectH穿越端口面，使得端口阻抗的求解结果为全模型状态下的2倍将阻抗倍增系数ImpedanceMultiplier设置为0.5进行修正CLCLCL22/2©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.28ANSYS,Inc.ProprietarySymmetry•