HFSS基本知识快速了解

2016-11-16  by:CAE仿真在线  来源:互联网

单频率解决
单频率解决在单个频率点产生适应性或非适应性解,解决频率在Solution Setup对话框中指定,并且通常是执行频率扫描的第一步。适应性解决指的是建立有限元网格并自动精修错误最高的区域——从而提高了随后的适应性解的精度。执行单频率解决方案的程序如下所示:
频率扫描
当你想通过一个频率范围产生解时,使用频率扫描。你可以选择以下一种扫描方式:
快速:为每个小频率范围产生唯一的全场解。最适用于突然共振的模型或在频带内改变操作的模型。一个快速扫描方案可以得到场在谐振点附近行为的精确描述。
离散:在频率范围内特定频率点上产生场解。最适用于只用频带内一部分频率点来精确描述结果。
插入:用来评估全部频率范围内的解。最适用于频带很宽且频率相应比较光滑的情况,以及快速扫描的内存超出了可用值。
快速频率扫描
快速频率扫描为每个小频率范围产生唯一解。当模型在频谱范围忽然谐振或改变行为时选择快速扫描。快速扫描能得到谐振点附近行为的精确表示。
HFSS使用频带中心频率选择合适的特征值问题从而为整个快速扫描产生一个解。然后使用基于适应性Lanczos-Pade扫描(ALPS)的求解器从中心频率场解来外推要求的频带范围的场解。
如果解决频率位于频带范围内(比起始频率高且比终止频率低),HFSS将解决频率作为中心频率。否则频带范围的中点被用作中心频率。
记住,HFSS在解决频率的适应性解决中使用有限元网格精修,如果你没要求适应性解决,产生的初始网格将应用于问题。系统将使用这个网格而不再进一步对其进行精修。同样,中心频率的场解是最精确的。取决于你在频率范围内要求的精度水平,你可以在其它中心频率执行频率扫描。
全场解只在中心频率被保存,而S参数在所有频率点被保存;然而,快速扫描允许扫描范围内所有频率项的后处理。
快速扫描所需要的时间大大多于单个频率解决的时间。
注意:当执行快速扫描时,频率范围内的任何端口模式不能与切口相交叉。如果出现了交叉,一个错误信息就会出现,列出违反这个原则的端口和模式。
快速扫描程序如下所示:
离散频率扫描
离散扫描在频带内的特定频率点产生场解。例如,指定频带1000MHz到2000MHz,步长2.5,结果是1000,1250,1500,1750,2000MHz的解。默认情况下,只有最后计算的频率点的场解会保存,在这个例子中是2000MHz。设置了求解点后,如果你想保存特定点的场解,选择Save Fields,每个频率点的S参数被保存。你要求的步数越多,完成频率扫描所需的时间越长。
如果频带范围的解只需一些频率点就能精确表示,选择离散扫描。
记住,HFSS在解决频率的适应性解决中使用有限元网格精修,如果你没要求适应性解决,产生的初始网格将应用于问题。系统将使用这个网格而不再进一步对其进行精修。由于适应性解决的网格仅在解决频率处被优化,对于和此频率相差较大的频率,结果的精确度可能会有很大的变化。如果你想使变化最小,你可以选择频带中心作为解决频率。然后,检查了结果后,在解决频率设置为临界频率时运行额外的解决。
插入频率扫描
插入频率扫描评估了全频范围的解。HFSS选择计算场解的频率点从而使所有内插替换解落在允许误差内。当解达到允许误差标准或产生了最大数目的解后,扫描完成。要了解解的更多信息,增加步数并重新执行扫描。
每个点的场解都会被删除,这样下一个点的新的场解就会产生。只有最后计算的频率点的所有场解才会被保存。每个频率点的S参数都会被保存。
当频率范围很宽或频谱响应较为平滑,或者快速扫描的内存需求超出可得到的内存,选择插入扫描。插入扫描所花的时间比离散扫描少的多,因为全场解是基于最少频率点被内插替换的。插入扫描的最大时间可表示为单个频率解决时间乘上最大解决次数。
记住,HFSS在解决频率的适应性解决中使用有限元网格精修,如果你没要求适应性解决,产生的初始网格将应用于问题。系统将使用这个网格而不再进一步对其进行精修。
解决类型(求解器设置)
受驱模式解决
当你想用HFSS计算微波传输带,波导,传输线等被动高频结构的基于模式的S参数时,选择Driven Modal。S参数解决将用一系列波导模的入射和反射能量来表示。
受驱终端解决
当你想用HFSS计算基于终端的多导体传输线端口的S参数时,选择Driven Terminal Solution。S参数的解将用一系列电压和电流来表示。
本征模式解决
当你想计算一个结构的本征模式,或者谐振时,选择Eigenmode Solution。本征模式解决器找到结构的谐振频率并计算在这些频率点的场。
本征模式解决
本征模式解决器可以找到损耗结构和无损结构的本征模式,可计算空腔的无负载Q。Q是品质因数,是系统消耗了多少能量的量度。无负载Q是由无损材料造成的能量损失。因为端口和其他源被限制在本征模式问题中,被计算的Q不包括由这些源造成的损耗。
以下限制应用于本征模解决设计:
以下激励不可被定义:端口,入射波,电压源,电流源,偏置磁场源。
辐射边界不可被定义。
频率扫描是不可用的。
你不能观察或绘制S矩阵参数。
设计不能包括铁素体。
计算谐振频率
本征模频率(结构的谐振频率)如下计算: ,其中c是光速,f是波频。
计算品质因数
Q是无负载品质因数,是结构中由损耗材料造成的能量损耗多少的量度。因为端口和其他源被限制在本征模式问题中,被计算的Q不包括由这些源造成的损耗。
HFSS使用下式计算近似的品质因数,其中U是空腔存储的总能量,P是功率损耗,例如电阻损耗。
计算自由空间波数
自由空间波数k0谐振模式的频率有关,对于无损问题通过下式计算,其中S和T是依赖于模型几何和网格的矩阵,x是电场解,k0是自由空间波数。
场解
在反复适应性求解过程中,在所有场解之前S参数是典型的稳定。因此,当你有兴趣分析与某个结构有关的场解时,使用比正常情况更严格的收敛准则是需要的。
另外,对于任意给定的适应性反复的数目,解出的磁场(H场)比电场(E场)的精确度低,因为磁场是通过它跟电场的关系 由电场计算出来的。
场覆盖图
在HFSS中,场覆盖代表在表面或实体内的基本场量或派生场量。绘制场的实体可以是模型几何中已经存在的部分,也可以是你在后处理模式中回转的实体。如果你选择了一个表面,HFSS将在表面绘制场量。如果你选择了一个实体,HFSS将在该实体的体积内部绘制场量。你可以选择绘制场的标量图或矢量图。标量图使用渐变线来说明表面或体积内的场量的数量。矢量图使用箭头来说明场量x,y,z分量的数量。
场量
默认的能被绘图的场量,它们的定义,以及相应的单位如下所示:
场量 定义 单位
Mag E 电场模 V/m
Mag H 磁场模 Amps/m
Mag Jvol 体电流密度模 Amps/m2
Mag Jsurf 面电流密度模 Amps/m
Complex MagE 电场复数模 V/m
Complex MagH 磁场复数模 Amps/m
Complex Mag Jvol 体电流密度的复数模 Amps/m2
Complex Mag Jsurf 面电流密度的复数模 Amps/m
Vector E 电场 V/m
Vector H 磁场 Amps/m
Vector Jvol 体电流密度J(x,y,z) Amps/m2
Vector Jsurf 面电流密度J(x,y,z) Amps/m
Vector Real Poynting 坡印亭矢量,定义为E x H* W/m2
Local SAR 特定吸收率 W/kg
Average SAR 平均特定吸收率 W/kg
指定相位角
指定场量被计算时的相位角使你能计算场数量在其周期不同点上的实部。这些量可表示为A(x, y, z, t) = A(x, y, z)cos(ωt + θ(x, y, z)),其中ω是场量相位角振荡频率,在解决时设定。θ (x,y,z)是相角(余弦波偏置量,峰值在t=0)。
峰值与RMS相量的对比
这部分关注场量在HFSS中是如何表示的。有些用户用不到这些信息,例如想知道端口S参数或场解相对振幅的用户。而想知道场量绝对值的用户需要考虑两种场表示方式的不同,即峰值和平均值。HFSS在频域解决并获得定态有限元场解的相量表示式。物理量如瞬时(时域)电场随后作为派生量从相量表示式中得到。
如果Ex是代表时谐电场的“峰值”相量的x分量,在时刻t的物理电场x分量,表示为Ex(t),通过 来计算,其中 R 是复数或复函数的实部, 是角频率,j是虚部单位,t是时间。另外,如果Ex是一个“均值”相量,一个额外的因子 是必需的,即。作为这些公式的结论,在一个整周期内观察到的峰值物理场(Ex(t)),在峰值相量中max(Ex(t))= ,而在均值相量中max(Ex(t)= 。
另外,给定了相量E和H,要计算通过一个平面的平均能流,复坡印亭矢量的实部x分量要沿着表面积分。复坡印亭矢量S的正确表达方式取决于使用了那种相量。对于峰值相量,,对于均值相量, 。
HFSS的使用惯例如下:
入射到一个端口上的每个传输模式包括1瓦特的时间平均功率。
电路差值源用峰值形式来表示。也就是说,如果电势差源数量是5伏,那么时域电路源表现为 。同样的情况也适用于电流差源。
平面波源用峰值形式来表示。也就是说,如果平面波数量是5V/m,平面波入射场数量可表示为 。
辐射功率,例如通过场后处理器计算的,是用复坡印亭矢量计算的时域平均量。
场计算器中的相量是峰值相量。计算器中的坡印亭矢量按钮因此用峰值相量执行坡印亭矢量 ,无论是计算平均量还是瞬时量的计算都要遵守峰值相量惯例。
计算SAR
特定吸收系数(SAR)是损耗介质材料中电磁能量吸收量的量度。SAR是一个基本的标量场量,可以用HFSS在实体表面或内部被绘制。HFSS使用下式计算SAR:,其中 =材料电导率, 是电介质的质量密度,单位是质量/单位体积。
HFSS中有两种类型的SAR图:局部SAR和平均SAR。当计算局部SAR时,HFSS使用上述公式计算覆盖图中每个网格点的SAR。HFSS沿着图内插替换网格点之间的值。在绘制平均SAR时,对于图上的每个网格点,HFSS报告一个包围该网格点的小体积的平均SAR。该体积由以下设置确定:材料的质量密度,包围每个网格点的材料质量,它们在Specific Absorption Rate Setting对话框中设定。

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