HFSS基础培训教程——边界条件

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边界条件的作用
• 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
• 磁场垂直的表面
– 对于Outer 定义Perfect H， 则相当于理想开路
E parallel
Perfect H Boundary
• 作为对称边界条件使用
– Perfect H
• 用于定义自然边界条件（Natural）
– 用Perfect H 覆盖 Perfect E 边界条件，则覆盖区域的边界条件实际为
Natural ，即自然边界
E continuous
‘Natural’ Boundary
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Perfect H
• 应用实例
– 对 Outer 定义 Perfect H 相当于理想开路 – 在内部定义，用 Perfect H 覆盖 Perfect E ， 用以在地平 面上开孔 实例
Finite Conductivity Boundary
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Impedance
• 薄膜电阻，定义由电导率和厚度确定的方块电阻
– 与 Finite Conductivity 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
• HFSS， SIwave，Designer Planar EM
– Incident Field ：吸收从模型反射出的场 – Enforced Field ：不吸收反射场
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• 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
c

2 Kw
s K w 1 exp 2h
1.6
h : 平均粗糙度、s : 金属厚度
– 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
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Radiation 的高级选项
• 定义辐射边界条件时选中 “Advanced Options ”
– Radiation Only ：等同于一般的辐射边 界 – Incident Field 和Enforced Field ：用于 在Datalink 时连接的外加场 – 软件自动在Incident Field 和Enforced Field 边界上积分，将外加场映射到面 上 – 外加场的来源：
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电磁场数值求解
• 有限元法求解Maxwell 方程组
– 几何结构 – 材料特性 – 源和边界条件
网格剖分
解析解
有限元解
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Ref lection Coef f icient (dB)
0 -20 -40 -60 -80 -100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
theta (deg)
辐射边界条件的反射系数与入射 角的关系
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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
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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
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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
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Perfect E
• 应用实例
– 不考虑损耗或损耗可以忽略的金属面
微带线的地
同轴线的外导体
厚度为零（可忽略）的信号线
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Perfect H
选中：用于二维金属表面
Gold Nickel Copper
0.2μm 0.5μm
Gold Nickel Copper
0.2μm 0.5μm 1μm
∞
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Radiation
• 应用于电磁辐射问题仿真
• 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
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Impedance应用实例
• 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3.5 Mil （沿着电流的流向），宽4 Mil
• 输入任意的频率， 点击[Calculate] 根据镀层定义计算金属损耗
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Layered Impedance
• 分层阻抗边界条件的Internal选项
不选：用于三维金属的表面
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边界条件的优先级
• 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Perfect H 覆盖 Perfect E 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
• 注意：错误的边界条件定义会直接导致错误的计算结果
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HFSS中的边界条件
1. Perfect E
2. Perfect H 3. Finite Conductivity 4. Impedance 5. Layered Impedance 6. Screen Impedance 7. Radiation 8. Symmetry 9. Master & Slave 10. Lumped RLC 11. PML (Perfect Matched Layer)
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Perfect E
• 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 ）。
Perfect E Boundary*
E perpendicular
• 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 Infinite Ground Plane ，可表示无限大 的有耗地平面
E perpendicular, attenuating
• 也可以用材料特性定义
– 选择 Use Material ，在材料库中选择构成零 厚度的金属材料特性。
HFSS 基础培训教程
边界条件
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HFSS设计流程
Design
Solution Type
Boundaries
Parametric Model
Geometry/Materials
Radiation
• 应用实例
Radiation边界 条件
λ/4 λ/4
λ/4
天线：强辐射问题
Excitations Analysis
Solution Setup Frequency Sweep
Mesh Operations Mesh Refinement NO
Analyze
Solve
Results
2D Reports Fields
Converged YES
Solve Loop
Update Finished
– 长宽比 N和方块电阻计算如下
3.5 N 0.875 4 Rlu mp ed 35 Rs h eet 40 / square N .875
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Layered Impedance
后处理
矩阵参数、电磁场分布、辐射
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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
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• 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
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Radiation
• 辐射边界条件的吸收性能与入射角相关
• 应用于对称边界条件
• 理想地平面
– 可以将 Infinite Ground Plane 选项选中，表示无限大的地平面
• 缺省的边界条件Outer PerfectE
– 整个模型与做图背景的交接面会被自动赋予 Outer
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– 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）
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HFSS中的缺省边界条件
• 与背景的交接面自动定义为Outer，即Perfect E
• 良导体的表面自动定义为Perfect E或Finite Conductivity • 不同介质之间的交接面自动定义为自然边界条件Natural
– 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
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Reflection Coefficient (dB)
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.
首先定义Perfect E
将其中的局部定义为 Perfect H
PerfectH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
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Finite Conductivity