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HFSS学习笔记—4.边界条件

边界条件类型

  1. 理想导体边界（Perfect E）
  2. 理想磁边界/自然边界（Perfect H/Natural）
  3. 有限导体边界（Finite Conductivity）
  4. 辐射边界（Radiation）
  5. 对称边界（Symmetry）
  6. 阻抗边界（Impedance）
  7. 集总RLC边界（Lumped RLC）
  8. 分层阻抗边界条件（Lumped RLC）
  9. 无限地平面（Infinite Ground Plane）
  10. 10.主从边界（Master and slave）
  11. 理想匹配层（PML）

HFSS学习笔记—4.边界条件_第1张图片

1.理想导体边界（Perfect E）

HFSS学习笔记—4.边界条件_第2张图片

  • 一种理想电导体或简称为理想导体边界条件，这种边界条件的电场垂直于表面；有两种边界条件被自动设为理想导体边界条件
  • 任何与背景相关联的物体表面将被自动定义为理想导体边界，并命名为outer边界
  • 材料设为PEC（理想电导体）的物体表面被自动定义为理想导体边界，并命名为smental

2. 理想磁边界/自然边界（Perfect H/Natural）

HFSS学习笔记—4.边界条件_第3张图片

  • 一种理想的磁边界，这种边界条件上的电场方向与表面相切，磁场与表面垂直
  • 真实世界中不存在理想的磁边界，它只是理论上的约束条件
  • 当理想导体边界和理想磁边界出现交叠时，理想磁边界也被称为自然边界
  • 背景设置成Perfect H边界条件，可以模拟开放的自由空间
  • 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

3. 有限导体边界（Finite Conductivity）

HFSS学习笔记—4.边界条件_第4张图片

  • 有耗导体/非理想导体边界条件，电场垂直于物体表面
  • 有限导体边界只在良导体模型下有效，即给定的频率范围内，导体的厚度远远大于趋肤深度

4. 辐射边界（Radiation）

  • 也称为吸收边界，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
  • Perfect H边界条件也可以模拟开放空间，但该边界条件不计算远区场
  • 辐射边界条件是自由空间的近似，这种近似的精确程度取决于波的传播方向和辐射边界的角度，以及辐射源和边界之间的距离（辐射边界在各个方向上的距离辐射体一般不小于1/4波长）

5. 对称边界（Symmetry）

HFSS学习笔记—4.边界条件_第5张图片

  • 对称平面必须暴露在背景中
  • 对称面必须定义在平面表面上，不能定义在曲面
  • 在一个问题上最多只能定义三个正交对称面
  • 若电场垂直于对称面且对称，使用理想电壁对称面
  • 若磁场垂直于对称面且对称，使用理想磁壁对称面

阻抗乘法器：

  • 理想电壁对称面将结构分成两部分时，电压和能量只有一半被计算，由Zpu=U*U/P得出阻抗为真实值的一半，所以要定义2倍的阻抗乘法器
  • 理想磁壁对称面将结构分成两部分时，能量只有一半被计算，由Zpu=U*U/P得出阻抗为真实值的2倍，所以要定义0.5倍的阻抗乘法器
  • 在设置对称边界的弹出窗口中单击“Impedance Multiplier…”即可设置阻抗乘法器的值
    HFSS学习笔记—4.边界条件_第6张图片

6. 阻抗边界（Impedance）

  • 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=Ps+jXs，其中Rs是以Ω/Square为单位的电阻，Xs是以Ω/Square为单位的电抗
  • 阻抗的计算：HFSS学习笔记—4.边界条件_第7张图片

7. 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值计算出以Ω/Square为单位的阻抗值
  • 与阻抗边界不同的是，集总RLC边界不需要提供以Ω/Square为单位的电阻和电抗，给出PLC的真实值即可
    HFSS学习笔记—4.边界条件_第8张图片

8. 分层阻抗边界条件（Lumped RLC）

  • 用多层结构将物体表面模拟为一个阻抗表面，效果与阻抗边界相同
  • 与阻抗边界条件不同的是，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
  • 分层阻抗边界条件不支持快速扫频

9. 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
  • 无限大平面边界的设置：在设置理想导体边界、有限导体边界或阻抗边界时选中“Infinite Ground Plane”
  • 无限大地平面必须暴露在背景上
  • 无限大地平面必须定义在平面上
  • 无限大地平面和对称面的总数不超过3个
  • 所以无限大地平面和对称面必须互相垂直

10.主从边界（Master and slave）

  • 也称为关联边界条件，用于模拟平面周期结构表面：如阵列天线结构
  • 主从边界包括主边界（Master）和从边界（Slave），成对出现，且两边界表面形状、大小和方向必须完全相同，表面上的电场存在一定的相位差（周期性结构相邻单元之间存在的相位差）
    HFSS学习笔记—4.边界条件_第9张图片

11. 理想匹配层（PML）

  • 完全吸收入射电磁波的假想的各向异性材料边界
  • 两种典型的应用：一是用于外场问题中的只有空间截断，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
  • 对于自由空间截断情况，PML的作用类似于辐射边界条件，能够完全吸收入射的电磁波；和辐射边界相比，PML计算结果更精确，同时PML表面可以距离辐射体更近（1/10波长即可），但是设置较为复杂

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