第五章 HFSS的边界条件-Toy模板网

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1. 概述

在电磁场理论学习中我们知道，电磁场问题的求解都归结于麦克斯韦（Maxwell）方程组的求解。在HFSS中波动方程的求解同样是由微分形式的麦克斯韦方程推导出来的。而边界条件定义了求解区域的边界以及不同物体交界处的电磁场特性，是求解麦克斯韦方程的基础。只有在假定场矢量是单值、有界、并且沿空间连续分布的前提下，微分形式的麦克斯韦方程组才是有效的；而在求解区域的边界、不同介质的交界处和场源处，场矢量是不连续的，那么场的导数也就失去了意义。边界条件就是定义跨越不连续边界处的电磁场的特性，因此，正确地理解、定义并设置边界条件，是正确使用HFSS仿真分析电磁场场特性的前提。使用HFSS时，用户应该时刻意识到:边界条件确定场。正确地使用边界条件，是HFSS能够仿真分析出准确结果的前提。

2. 边界条件分类

理想导体边界（Perfect E）：电场矢量（E-Field）垂直于物体表面

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：
（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。
（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。
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。

理想磁边界/自然边界（Perfect H/Natural）：电场矢量与物体表面相切，磁场矢量与物体表面垂直；(不存在)

电场矢量与物体表面相切，磁场矢量与物体表面垂直。
自然边界（Natural）：当理想导体边界和理想磁边界出现交叠时，理想磁边界也称为自然边界
注意：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，相当于在理想导体表面开个口，允许电场穿过。

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。在有限边界条件的表面，电场存在切向分量用于模拟表面的损耗。

有耗导体/非理性导体边界条件，电场垂直于物体表面，在电磁波的传播方向上电场会愈来愈小
用户需要设置的参数：导电率和导磁率
注意：当物体的材料设置为非理想导体（如铜、铝等金属材料）时，其表面自动定义为有限导体边界条件

辐射边界（Radiation）：在HFSS分析辐射问题时，用于模拟开放的自由空间，常用于天线问题的分析。

又称吸收边界条件，用于模拟开放的自由空间，模拟波辐射到空间的无限远处的情况，常用于天线问题的分析。当结构中包含辐射边界条件时，HFSS会自动计算结构的远区场。（使用Perfect H边界条件模拟开放空间时，不会计算远区场）
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之间的角度，以及辐射源与边界之间的距离。辐射边界在各个方向上距离辐射体一般不小于1/4个波长。

对称边界（Symmetry）：模拟理想电壁或理想磁壁对称面，在HFSS中应用对称边界条件赫，可以沿着对称边界面将物体一分为二，在建模时只需要创建一个部分，减少物体几何模型的尺寸和设计复杂性，缩短计算时间。

模拟理想电壁或理想磁壁对称面，应用对称边界可以构造结构时仅构造一部分，减小结构的尺寸和设计的复杂性，缩短计算时间。
定义对称平面时，需要遵循以下原则：
1、对称平面必须暴露在背景中
2、对称面必须定义在平面表面上，不能定义在曲面上
3、在一个问题上最多只能定义三个正交对称面
决定对称面的类型：
1、如果电场垂直于对称面且对称，使用理想电壁对称面
2、如果磁场垂直于对称面且对称，使用理想磁壁对称面
此外使用对称边界条件需要设置阻抗乘法器：
1、理想电壁对称面将结构分为两部分时，只有一半的电压值和一半的能量被计算，由Zpu=U*U/P计算出的阻抗也只有真实值的一半，所以需要定义2倍的阻抗乘法器。
2、理想磁壁对称面将结构分为两部分时，只有一半的能量被计算，而电压保持不变，由Zpu=U*U/P计算出的阻抗是真实值的2倍，所以需要定义0.5倍的阻抗乘法器。

阻抗边界（lmpedance）：用于模拟已知阻抗值的电阻性表面

用于模拟已知阻抗的边界表面，如薄膜电阻表面；表面的阻抗Zs=Rs+jXs。
阻抗的计算：number of "Square"=Length(in direction of current flow)/Width
Impedance per Square=Desired Lumped Impedance/number of square

集总RLC边界（Lumped RLC）：类似于阻抗边界条件，利用用户提供的R、L、C值计算出对应的阻抗值

类似于阻抗边界条件，利用用户提供的R、L、C值计算出对应的阻抗值。与阻抗边界不同的是，集总RLC边界不需要提供以Ohms/Square为单位的电阻和电抗，而是要给出R、L和C的真实值；之后HFSS就能确定任意频率下集总RLC边界以Ohms/Square为单位的阻抗。

分层阻抗边界条件（Lumped RLC)：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；

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和表面电抗的。
分层边界条件不支持快速扫频。

无限地平面( Infinite Ground Plane )：将有限大的边界表面模拟成无限大地平面的作用

在设置理想导体边界、有限导体边界或阻抗边界时有"Infinite Ground Plane"复选框。将有限大的边界表面模拟成无限大地平面的作用，设置无限大平面边界后，在后处理中会影响近区、远区辐射场的计算。
定义无限大平面时，需要满足以下条件：
1、必须暴露在背景上
2、必须定义在平面上、
3、无限大平面和对称面的总数不超过3个
4、所有无限大地平面和对称面必须相互垂直

主从边界(Master and slave)：简称为关联边界条件LBC，主要用于模拟平面周期性结构表面，例如阵列天线文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-419284.html

简称为关联边界条件LBC，主要用于模拟平面周期性结构表面，例如阵列天线。
包括主边界条件（Master）和从边界条件（Slave），总是成对出现，且主边界表面和从边界表面的形状、大小和方向完全相同，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。
定义主从边界表面时，用户需要正确设置U、V坐标系，保证主从边界表面大小和方向完全一致。

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