HFSS邊界條件和端口講解

(完整版)HFSS邊界條件和端口講解總的介紹:AnsoftHFSS求解就是對(duì)微分形式的麥克斯韋方程采取有限元方法進(jìn)行數(shù)值求解，在場(chǎng)矢量和導(dǎo)數(shù)是都單值、有界而且沿空間連續(xù)分布的假設(shè)下，這些方程才可以使用。在邊界和場(chǎng)源處，場(chǎng)是不連續(xù)的，場(chǎng)的導(dǎo)數(shù)變得沒(méi)有意義。因此，需要邊界條件確定跨越不連續(xù)邊界處場(chǎng)的性質(zhì).邊界條件對(duì)理解麥克斯韋方程是非常重要的，同時(shí)也是求解麥克斯韋方程的基礎(chǔ)。默認(rèn)邊界條件一一AnsoftHFSS建立的是一個(gè)虛擬的原型世界.與邊界為無(wú)限空間的真實(shí)世界不同，虛擬原型世界被做成有限的。為了獲得這個(gè)有限空間，AnsoftHSS使用了背景或包圍幾何模型的外部邊界條件。所謂背景是指沒(méi)有被任何模型物體占據(jù)的空間。任何和背景有關(guān)聯(lián)的物體表面將被自動(dòng)地定義為理想的電邊界「6f65E)并且命名為外部(0a6「)邊界條件?？梢园褞缀谓Y(jié)構(gòu)想象為外面有一層很薄而且是理想導(dǎo)體的材料。因此當(dāng)實(shí)際邊界不是理想的電邊界就必須根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置；激勵(lì)(excitation)一一激勵(lì)邊界條件是一種特殊的邊界條件，最常用的是waveport,是一種允許能量進(jìn)入或?qū)С鰩缀谓Y(jié)構(gòu)的邊界條件，使用waveport激勵(lì)條件可以計(jì)算端口的5參數(shù)；理想電邊界(PerfectE)一一PerfectE是一種理想電導(dǎo)體或簡(jiǎn)稱(chēng)為理想導(dǎo)體。這種邊界條件的電場(chǎng)(E-Field)垂直于表面.有兩種邊界被自動(dòng)地賦值為理想電邊界。任何與背景相關(guān)聯(lián)的物體表面將被自動(dòng)地定義為理想電邊界并且命名為。uter的外部邊界條件。任何材料被賦值為PEC(理想電導(dǎo)體)的物體的表面被自動(dòng)的賦值為理想電邊界并命為smetal邊界。理想磁邊界(PerfectH)--PerfectH是一種理想的磁邊界。邊界面上的電場(chǎng)方向與表面相切.有限電導(dǎo)率(FiniteConductivity)-—有限電導(dǎo)率邊界將把物體表面定義有耗(非理想)的導(dǎo)體。并且可類(lèi)比為有耗金屬材料的定義。為了模擬有耗表面，應(yīng)提供以西門(mén)子/米(5]6巾6門(mén)5/巾6t6「)為單位的損耗參數(shù)以及導(dǎo)磁率參數(shù).并且可以是頻率的函數(shù)阻抗邊界(Impedance) '個(gè)用解析公式計(jì)算場(chǎng)行為和損耗的電阻性表面。表面的切向電場(chǎng)等于Zs(nxHtan)。表面的阻抗等于Rs+jXs。其中，Rs是以ohms/square為單位的電阻，Xs是以ohms/square為單位的電抗分層阻抗(12丫6「6~Impedance)邊界 在結(jié)構(gòu)中多層薄層可以模擬為阻抗表面.集總RLC(LumpedRLC)邊界 '組并聯(lián)的電阻、電感和電容組成的表面.這種仿真類(lèi)似于阻抗邊界，只是軟件利用用戶(hù)提供的R、L和C值計(jì)算出以ohms/square為單位的阻抗值。無(wú)限地平面(InfiniteGroundPlane)--通常，地面可以看成是無(wú)限的、理想電壁、有限電導(dǎo)率或者是阻抗的邊界條件.如果結(jié)構(gòu)中使用了輻射邊界，地面的作用是對(duì)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)能量的屏蔽物，防止波穿過(guò)地平面?zhèn)鞑?輻射邊界(Radiation)——輻射邊界也被稱(chēng)為吸收邊界。輻射邊界使該邊界能夠模擬開(kāi)放的表面.即波能夠朝著輻射邊界的方向輻射出去。系統(tǒng)在輻射邊界處吸收電磁波，本質(zhì)上就可把邊界看成是延伸到空間無(wú)限遠(yuǎn)處。輻射邊界可以是任意形狀并且靠近結(jié)構(gòu)，但一般要距離模型四分之一波長(zhǎng)，對(duì)包含輻射邊界的結(jié)構(gòu)，計(jì)算的5參數(shù)包含輻射損耗。當(dāng)結(jié)構(gòu)中包含輻射邊界時(shí)，遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)計(jì)算作為仿真的一部分被完成。PML(Perfectlymatchedlayer)邊界——這是個(gè)假想的材料能夠完全吸收電磁場(chǎng)，這些材料是各向異性的，有兩種形式的PML,一種是自由空間終止，它意味著電磁場(chǎng)從這個(gè)表明輻射到自由空間的任意方向，這種情況下要比radiation邊界更合適，因?yàn)镻ML可以和模型距離很近，減少空間問(wèn)題，另一中PML是反射自由終止，它類(lèi)似一個(gè)波導(dǎo)，波沿該方向傳播到無(wú)限；（完整版）HFSS邊界條件和端口講解這一章主要介紹使用邊界條件的基本知識(shí).邊界條件能夠使你能夠控制物體之間平面、表面或交界面處的特性。邊界條件對(duì)理解麥克斯韋方程是非常重要的同時(shí)也是求解麥克斯韋方程的基礎(chǔ)。§2。1 為什么邊界條件很重要用AnsoftHFSS求解的波動(dòng)方程是由微分形式的麥克斯韋方程推導(dǎo)出來(lái)的。在這些場(chǎng)矢量和它們的導(dǎo)數(shù)是都單值、有界而且沿空間連續(xù)分布的假設(shè)下，這些表達(dá)式才可以使用.在邊界和場(chǎng)源處，場(chǎng)是不連續(xù)的，場(chǎng)的導(dǎo)數(shù)變得沒(méi)有意義。因此，邊界條件確定了跨越不連續(xù)邊界處場(chǎng)的性質(zhì)。作為一個(gè)AnsoftHSS用戶(hù)你必須時(shí)刻都意識(shí)到由邊界條件確定場(chǎng)的假設(shè).由于邊界條件對(duì)場(chǎng)有制約作用的假設(shè)，我們可以確定對(duì)仿真哪些邊界條件是合適的。對(duì)邊界條件的不恰當(dāng)使用將導(dǎo)致矛盾的結(jié)果.當(dāng)邊界條件被正確使用時(shí)，邊界條件能夠成功地用于簡(jiǎn)化模型的復(fù)雜性。事實(shí)上，AnsoftHSS能夠自動(dòng)地使用邊界條件來(lái)簡(jiǎn)化模型的復(fù)雜性。對(duì)于無(wú)源RF器件來(lái)說(shuō)，AnsoftHSS可以被認(rèn)為是一個(gè)虛擬的原型世界.與邊界為無(wú)限空間的真實(shí)世界不同，虛擬原型世界被做成有限的。為了獲得這個(gè)有限空間，AnsoftHSS使用了背景或包圍幾何模型的外部邊界條件。模型的復(fù)雜性通常直接與求解問(wèn)題所需的時(shí)間和計(jì)算機(jī)硬件資源直接聯(lián)系.在任何可以提高計(jì)算機(jī)的硬件資源性能的時(shí)候,提高計(jì)算機(jī)資源的性能對(duì)計(jì)算都是有利的?！?。2 一般邊界條件有三種類(lèi)型的邊界條件。第一種邊界條件的頭兩個(gè)是多數(shù)使用者有責(zé)任確定的邊界或確保它們被正確的定義。材料邊界條件對(duì)用戶(hù)是非常明確的。激勵(lì)源波端口（外部）集中端口（內(nèi)部）表面近似對(duì)稱(chēng)面理想電或磁表面輻射表面背景或外部表面材料特性?xún)煞N介質(zhì)之間的邊界具有有限電導(dǎo)的導(dǎo)體§2。3 背景如何影響結(jié)構(gòu)所謂背景是指幾何模型周?chē)鷽](méi)有被任何物體占據(jù)的空間。任何和背景有關(guān)聯(lián)的物體表面將被自動(dòng)地定義為理想的電邊界（Perfect￡）并且命名為外部（outer）邊界條件.你可以把你的幾何結(jié)構(gòu)想象為外面有一層很薄而且是理想導(dǎo)體的材料。如果有必要，你可以改變暴露于背景材料的表面性質(zhì)，使其性質(zhì)與理想的電邊界不同。為了模擬有耗表面，你可以重新定義這個(gè)邊界為有限電導(dǎo)（FiniteConductivity）或阻抗邊界（Impedanceboundary）。有限電導(dǎo)邊界可以是一種電導(dǎo)率和導(dǎo)磁率均為頻率函數(shù)的有耗材料.阻抗邊界默認(rèn)在所有頻率都具有相同的實(shí)數(shù)或復(fù)數(shù)值.為了模擬一個(gè)允許波進(jìn)入空間輻射無(wú)限遠(yuǎn)的表面，重新定義暴露于背景材料的表面為輻射邊界（RadiationBoundary）。背景能夠影響你怎樣給材料賦值。例如，你要仿真一個(gè)充滿(mǎn)空氣的矩形波導(dǎo)，你可以創(chuàng)建一個(gè)具有波導(dǎo)形狀特性為空氣的簡(jiǎn)單物體。波導(dǎo)表面自動(dòng)被假定為良導(dǎo)體而且給出外部（outer）邊界條件，或者你也可以把它變成有損導(dǎo)體。

(完整版)HFSS邊界條件和端口講解§2。4 邊界條件的技術(shù)定義激勵(lì)(Excitation)——激勵(lì)端口是一種允許能量進(jìn)入或?qū)С鰩缀谓Y(jié)構(gòu)的邊界條件。理想電邊界(PerfectE) PerfectE是一種理想電導(dǎo)體或簡(jiǎn)稱(chēng)為理想導(dǎo)體.這種邊界條件的電場(chǎng)(E—Field)垂直于表面.有兩種邊界被自動(dòng)地賦值為理想電邊界.任何與背景相關(guān)聯(lián)的物體表面將被自動(dòng)地定義為理想電邊界并且命名為outer的外部邊界條件.任何材料被賦值為PEC(理想電導(dǎo)體)的物體的表面被自動(dòng)的賦值為理想電邊界并命為smetal邊界。理想磁邊界(PerfectH)--PerfectH是一種理想的磁邊界。邊界面上的電場(chǎng)方向與表面相切.自然邊界(Natural)——當(dāng)理想電邊界與理想磁邊界出現(xiàn)交疊時(shí)，理想磁邊界也被稱(chēng)為Natural邊界。理想磁邊界與理想電邊界交疊的部分將去掉理想電邊界特性，恢復(fù)所選擇區(qū)域?yàn)樗郧暗脑疾牧咸匦?。它不?huì)影響任何材料的賦值.例如，可以用它來(lái)模擬地平面上的同軸線(xiàn)饋源圖案。有限電導(dǎo)率(FiniteConductivity)邊界有限電導(dǎo)率邊界將使你把物體表面定義有耗(非理想)的導(dǎo)體.它是非理想的電導(dǎo)體邊界條件。并且可類(lèi)比為有耗金屬材料的定義。為了模擬有耗表面，你應(yīng)提供以西門(mén)子/米(Siemens/meter)為單位的損耗參數(shù)以及導(dǎo)磁率參數(shù)。計(jì)算的損耗是頻率的函數(shù)。它僅能用于良導(dǎo)體損耗的計(jì)算。其中電場(chǎng)切線(xiàn)分量等于Zs(nxHtan)。表面電阻(Zs)就等于(1+j)/( )。其中，是趨膚深度;導(dǎo)體的趨膚深度為是趨膚深度;導(dǎo)體的趨膚深度為是激勵(lì)電磁波的頻率.是導(dǎo)體的電導(dǎo)率是導(dǎo)體的導(dǎo)磁率阻抗邊界(Impedance) 一個(gè)用解析公式計(jì)算場(chǎng)行為和損耗的電阻性表面。表面的切向電場(chǎng)等于Zs(nxHtan)。表面的阻抗等于Rs+jXs.其中，Rs是以ohms/square為單位的電阻Xs是以ohms/square為單位的電抗(完整版)HFSS邊界條件和端口講解分層阻抗(LayeredImpedance)邊界——在結(jié)構(gòu)中多層薄層可以模擬為阻抗表面.使用分層阻抗邊界條件進(jìn)一步的信息可以在在線(xiàn)幫助中尋找。集總RLC(LumpedRLC)邊界 組并聯(lián)的電阻、電感和電容組成的表面。這種仿真類(lèi)似于阻抗邊界，只是軟件利用用戶(hù)提供的R、L和C值計(jì)算出以ohms/square為單位的阻抗值。無(wú)限地平面(InfiniteGroundPlane) 通常，地面可以看成是無(wú)限的、理想電壁、有限電導(dǎo)率或者是阻抗的邊界條件。如果結(jié)構(gòu)中使用了輻射邊界，地面的作用是對(duì)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)能量的屏蔽物，防止波穿過(guò)地平面?zhèn)鞑?。為了模擬無(wú)限大地平面的效果，在我們定義理想電邊界、有限電導(dǎo)或阻抗邊界條件時(shí)，在無(wú)限大地平面的框子內(nèi)打勾。輻射邊界(Radiation)——輻射邊界也被稱(chēng)為吸收邊界。輻射邊界使你能夠模擬開(kāi)放的表面。即，波能夠朝著輻射邊界的方向輻射出去。系統(tǒng)在輻射邊界處吸收電磁波，本質(zhì)上就可把邊界看成是延伸到空間無(wú)限遠(yuǎn)處.輻射邊界可以是任意形狀并且靠近結(jié)構(gòu)。這就排除了對(duì)球形邊界的需要。對(duì)包含輻射邊界的結(jié)構(gòu)，計(jì)算的5參數(shù)包含輻射損耗。當(dāng)結(jié)構(gòu)中包含輻射邊界時(shí)，遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)計(jì)算作為仿真的一部分被完成。§2。5 激勵(lì)技術(shù)綜述端口是唯一一種允許能量進(jìn)入和流出幾何結(jié)構(gòu)的邊界類(lèi)型。你可以把端口賦值給一個(gè)兩維物體或三維物體的表面.在幾何結(jié)構(gòu)中三維全波電磁場(chǎng)被計(jì)算之前，必須確定在每一個(gè)端口激勵(lì)場(chǎng)的模式。AnsoftHFSS使用任意的端口解算器計(jì)算自然的場(chǎng)模式或與端口截面相同的傳輸線(xiàn)存在的模式.導(dǎo)致兩維場(chǎng)模式作為全三維問(wèn)題的邊界條件.AnsoftHFSS默認(rèn)所有的幾何結(jié)構(gòu)都被完全裝入一個(gè)導(dǎo)電的屏蔽層，沒(méi)有能量穿過(guò)這個(gè)屏蔽層。當(dāng)你應(yīng)用波端口(WavePorts)于你的幾何結(jié)構(gòu)時(shí)，能量通過(guò)這個(gè)端口進(jìn)入和離開(kāi)這個(gè)屏蔽層.作為波端口的替代品，你可以在幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)用集中參數(shù)端口(LumpedPorts)。集中參數(shù)端口在模擬結(jié)構(gòu)內(nèi)部的端口時(shí)非常有用?！?。5。1波端口(WavePorts)端口解算器假定你定義的波端口連接到一個(gè)半無(wú)限長(zhǎng)的波導(dǎo)，該波導(dǎo)具有與端口相同的截面和材料。每一個(gè)端口都是獨(dú)立地激勵(lì)并且在端口中每一個(gè)入射模式的平均功率為1瓦.波端口計(jì)算特性阻抗、復(fù)傳播常數(shù)和5參數(shù).（完整版）HFSS邊界條件和端口講解波動(dòng)方程在波導(dǎo)中行波的場(chǎng)模式可以通過(guò)求解Maxwell方程獲得.下面的由Maxwell方程推出的方程使用兩維解算器求解。胃乂 =0其中：是諧振電場(chǎng)的矢量表達(dá)式；「是自由空間的波數(shù)；K是復(fù)數(shù)相對(duì)導(dǎo)磁率；三是復(fù)數(shù)相對(duì)介電常數(shù)。求解這個(gè)方程，兩維解算器得到一個(gè)矢量解下位?。┬问降募?lì)場(chǎng)模式。這些矢量解與E和士無(wú)關(guān)，只要在矢量解后面乘上層它們就變成了行波。另夕卜，我們注意到激勵(lì)場(chǎng)模式的計(jì)算只能在一個(gè)頻率。在每一個(gè)感興趣的頻率，計(jì)算出的激勵(lì)場(chǎng)模式可能會(huì)不一樣。模式（Modes）對(duì)于給定橫截面的波導(dǎo)或傳輸線(xiàn)，特定頻率下有一系列的場(chǎng)模式滿(mǎn)足麥克斯維方程組。這些模式的線(xiàn)性疊加都可以在波導(dǎo)中存在。模式轉(zhuǎn)換某些情況下，由于幾何結(jié)構(gòu)的作用像一個(gè)模式變換器，計(jì)算中包括高階模式的影響是必須的.例如，當(dāng)模式1（主模）從某一結(jié)構(gòu)的一個(gè)端口（經(jīng)過(guò)該結(jié)構(gòu)）轉(zhuǎn)換到另外一個(gè)端口的模式2時(shí)，我們有必要得到模式2下的5參數(shù)。模式，反射和傳播在單一模式的信號(hào)激勵(lì)下，三維場(chǎng)的解算結(jié)果中仍然可能包含由于高頻結(jié)構(gòu)不均勻引起的高次模反射。如果這些高次模反射回激勵(lì)源端口，或者傳輸?shù)较乱粋€(gè)端口，那么和這些高次模相關(guān)的5參數(shù)就必須被考慮。如果高次模在到達(dá)任何端口前，得到衰減（這些衰減由金屬損耗或者傳播常數(shù)中的衰減部分所造成），那么我們就可以不考慮這些高次模的S參數(shù).模式和頻率一般來(lái)說(shuō)，和每種模式相關(guān)的場(chǎng)模式也許會(huì)隨頻率的改變而變化。然而，傳播常數(shù)和特性阻抗總是隨頻率變化的。因此，需要頻掃時(shí)，在每一個(gè)頻率點(diǎn)，都應(yīng)有相應(yīng)的解算.通常，隨著頻率的增加，高次模出現(xiàn)的可能性也相應(yīng)的(完整版)HFSS邊界條件和端口講解增加。模式和S參數(shù)當(dāng)每個(gè)端口的定義都正確時(shí)，仿真中包括的每個(gè)模式，在端口處都是完全匹配的.因此，每個(gè)模式的5參數(shù)和波端口，將會(huì)根據(jù)不同頻率下的特性阻抗進(jìn)行歸一化。這種類(lèi)型的S參數(shù)叫做廣義的S參數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量，例如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，以及電路仿真器中使用的特性阻抗是常數(shù)(這使得端口在各個(gè)頻率下不是完全匹配).為了使計(jì)算結(jié)果，和實(shí)驗(yàn)及電路仿真得到的測(cè)量結(jié)果保持一致，由HFSS得到的廣義S參數(shù)必須用常數(shù)特性阻抗進(jìn)行歸一化。如何歸一化，參看波端口校準(zhǔn)。注解：對(duì)廣義S參數(shù)歸一化的失敗，會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的不一致。例如，既然波端口在每一個(gè)頻點(diǎn)都完全匹配，那么S參數(shù)將不會(huì)表現(xiàn)出各個(gè)端口間的相互作用，而實(shí)際上，在為常數(shù)的特性阻抗端口中，這種互作用是存在的。波端口的邊界條件：波端口邊緣有以下所述的邊界條件：理想導(dǎo)體或有限電導(dǎo)率邊界一在默認(rèn)條件下，波端口邊緣的外部定義為理想導(dǎo)體.在這種假設(shè)條件下，端口定義在波導(dǎo)之內(nèi)。對(duì)于被金屬包裹傳輸線(xiàn)結(jié)構(gòu)，這是沒(méi)問(wèn)題的。而對(duì)于非平衡或者沒(méi)被金屬包圍的傳輸線(xiàn)，在周?chē)橘|(zhì)中的場(chǎng)必須被計(jì)算，不正確的端口尺寸將會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。對(duì)稱(chēng)面 端口解算器可以理解理想電對(duì)稱(chēng)面(PerfectEsymmetry)和理想磁對(duì)稱(chēng)面(PerfectHsymmetry)面。使用對(duì)稱(chēng)面時(shí)，需要填入正確的阻抗倍增數(shù).阻抗邊界--端口解算將識(shí)別出端口邊緣處的阻抗邊界.輻射邊界——在波端口和輻射邊界之間默認(rèn)的設(shè)置是理想導(dǎo)體邊界。波端口校準(zhǔn)：一個(gè)添加到幾何結(jié)構(gòu)的波端口必須被校準(zhǔn)以確保一致的結(jié)果。為了確定場(chǎng)的方向和極性以及計(jì)算電壓，校準(zhǔn)是必要的?！?。5.5求解類(lèi)型:模式驅(qū)動(dòng)對(duì)于模式驅(qū)動(dòng)的仿真，波端口使用