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5.2.5 對(duì)稱邊界條件

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    對(duì)稱邊界條件(Symmetry)用來模擬理想電壁對(duì)稱面或者理想磁壁對(duì)稱面。在 HFSS 中,應(yīng)用對(duì)稱邊界條件,可以沿著對(duì)稱面將模型一分為二,在建模時(shí)只創(chuàng)建模型的一個(gè)部分,這樣能夠減少物體模型的幾何尺寸和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,有效地縮短問題求解的時(shí)間。使用對(duì)稱邊界條件,在定義對(duì)稱面時(shí)需要遵循以下幾個(gè)原則。
    (1)對(duì)稱面必須暴露在背景中。
    (2)對(duì)稱面必須定義在平面表面上,不能定義在曲面上。
    (3)同一個(gè)設(shè)計(jì)最多只能定義 3 個(gè)相互正交的對(duì)稱面。
    在應(yīng)用對(duì)稱邊界條件之前,用戶首先需要確定對(duì)稱面的類型。HFSS 中有理想電壁和理想磁壁兩種類型的對(duì)稱面:如果電場(chǎng)垂直于對(duì)稱面對(duì)稱,那么就使用理想電壁對(duì)稱面;如果 磁場(chǎng)垂直于對(duì)稱面對(duì)稱,那么就使用理想磁壁對(duì)稱面。圖5.8 所示的矩形波導(dǎo)截面能很好地 說明這兩種類型對(duì)稱面的區(qū)別,圖中給出了波導(dǎo)電場(chǎng)主模(TE10模)示意圖。波導(dǎo)有兩個(gè)對(duì) 稱面,一個(gè)是水平方向上經(jīng)過波導(dǎo)中心的對(duì)稱面,一個(gè)是豎直方向上經(jīng)過波導(dǎo)中心的對(duì)稱面。 在水平方向的對(duì)稱面上,電場(chǎng)垂直于該對(duì)稱面且對(duì)稱分布,磁場(chǎng)平行于該對(duì)稱面且幅度不變, 因此該平面為理想電壁對(duì)稱面;在豎直方向的對(duì)稱面上,磁場(chǎng)垂直于該對(duì)稱面且對(duì)稱分布,電場(chǎng)平行于該對(duì)稱面且幅度不變,因此該平面為理想磁壁對(duì)稱面。


圖 5.8 波導(dǎo)的對(duì)稱邊界 


    在 HFSS 中,應(yīng)用對(duì)稱邊界條件,由于只需構(gòu)造模型的一部分,端口的尺寸發(fā)生了變化,因此端口處的電壓、電流和功率都有可能與完整的模型不同,進(jìn)而影響到端口的特性阻抗。為了使定義了對(duì)稱邊界條件后,物體的端口特性和原端口保持一致,在定義對(duì)稱邊界條件時(shí)需要正確地設(shè)置圖 5.9 所示的阻抗倍乘器(Impedance Multiplier)。

圖 5.9 設(shè)置阻抗倍乘器

    在講解如何正確設(shè)置阻抗倍乘器之前,我們先來看一下 HFSS 中端口特性阻抗的計(jì)算。 在 HFSS 中,端口特性阻抗可以有3 種方法計(jì)算,分別為功率/電流阻抗 Zpi、功率/電壓阻抗 Zpv和電壓/電流阻抗Zvi,具體計(jì)算方法如下。 Zpi是根據(jù)功率(P)和電流(I)的值來計(jì)算的,即 Zpi = P/I*I;Zpv是根據(jù)功率(P)和電壓(U)的值來計(jì)算的,即 Zpv =U*U /P ;Zvi是根據(jù)電壓(U)和電流(I)的值來計(jì)算的,即 Zvi=U*U/I* I。其中,端口處的功率(P)、電壓(U)和電流(I),可以由場(chǎng)直接計(jì)算。 端口處的電流可以根據(jù)安培定律計(jì)算得出,端口處的電壓可以由端口處電場(chǎng)的積分得到,因?yàn)樵诙丝谔幑β屎碗娏鞯亩x明確,且更易于計(jì)算,所以默認(rèn)情況下,HFSS 通過功率和電流來計(jì)算端口處的特性阻抗Zpi。用戶也可以設(shè)定計(jì)算 Zpv 和 Zvi,因?yàn)槎丝谔幍碾妷菏茄刂脩舳x的積分線積分計(jì)算而來的,所以為了計(jì)算 Zpv和 Zvi,用戶必須指定一條積分線。

    在了解了端口特性阻抗的計(jì)算方法之后,我們就可以很好理解在應(yīng)用對(duì)稱邊界時(shí),為何需要設(shè)置阻抗倍乘器以及如何正確設(shè)置阻抗倍乘器。結(jié)合圖 5.9,當(dāng)對(duì)稱面是理想電壁對(duì)稱面時(shí),模型沿著理想電壁對(duì)稱面對(duì)稱地一分為二,此時(shí)端口處的電壓和功率都只有完整模型的一半,根據(jù)特性阻抗計(jì)算公式可以知道,此時(shí)計(jì)算出的特性阻抗只是完整模型的一半;因此,這種情況下,阻抗倍乘器的值需要設(shè)置為2。同理,當(dāng)對(duì)稱面是理想磁壁對(duì)稱面時(shí),模型沿著理想磁壁對(duì)稱面對(duì)稱地一分為二,此時(shí)端口處電壓不變,功率只有完整模型的一半,根據(jù)特性阻抗計(jì)算公式可以知道,此時(shí)計(jì)算出的特性阻抗是完整模型的兩倍; 因此,這種情況下,阻抗倍乘器的值需要設(shè)置為0.5。當(dāng)同時(shí)應(yīng)用了理想電壁對(duì)稱面和理想磁壁對(duì)稱面后,端口處的電壓是原來的一半,功率是原來的 1/4,根據(jù)特性阻抗計(jì)算公式可以知道,計(jì)算出的特性阻抗和完整模型的特性阻抗一樣;因此,這種情況下,不需要設(shè)置阻抗倍乘器(因?yàn)樽杩贡冻似鞯哪J(rèn)值為 1)。

    對(duì)于對(duì)稱邊界條件,首先需要確定邊界條件的類型是理想電壁對(duì)稱還是理想磁壁對(duì)稱,對(duì)稱邊界條件的類型確定后,沿著對(duì)稱面把模型一分為二,建模時(shí)只需要?jiǎng)?chuàng)建模型的一半。 模型創(chuàng)建好了之后,對(duì)稱邊界條件的設(shè)置操作步驟如下。

    (1)選中模型的對(duì)稱面。

    (2)從主菜單欄選擇【HFSS】→【Boundaries】→【Assign】→【Symmetry】,或者在三 維模型窗口內(nèi)單擊鼠標(biāo)右鍵,從彈出菜單中選擇【Assign Boundary】→【Symmetry】,打開 如圖 5.10 所示的“對(duì)稱邊界條件設(shè)置”對(duì)話框。


圖 5.10  對(duì)稱邊界條件設(shè)置對(duì)話框

    (3)在該對(duì)話框中,Name 項(xiàng)輸入輻射導(dǎo)體邊界的名稱,默認(rèn)名稱為 Symn;在 Symmetry 欄選擇對(duì)稱邊界條件類型:Perfect E 為理想電壁對(duì)稱面,Perfect H 為理想磁壁對(duì)稱面;單擊 Impedance Multiplier 按鈕,設(shè)置阻抗倍乘器的值,對(duì)于理想電壁對(duì)稱面阻抗倍乘器需要設(shè)置為 2, 對(duì)于理想磁壁對(duì)稱面阻抗倍乘器需要設(shè)置為 0.5;最后單擊 OK 按鈕,完成對(duì)稱邊界條件的設(shè)置。

    (4)設(shè)置完成后,對(duì)稱邊界條件的名稱會(huì)自動(dòng)添加到工程樹中的 Boundaries 節(jié)點(diǎn)下。

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