HFSS的边界条件与激励方式

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仿真分析电磁场特性的前提。

使用HFSS时，开发者应该时刻意识到，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。

边界条件的类型：

图1

Perfect E（理想边界条件）：

电场矢量垂直于物体表面；

Perfect H/Natural （理想磁边界/自然边界）：

电场矢量与物体表面相切，磁场矢量与物体表面相垂直；

Finite Conductivity （有限导体边界）：

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；

电场存在切向分量，用于模拟表面的损耗；

Radiation （辐射边界）：

吸收边界条件；在HFSS分析辐射问题时用于模拟开放的自由空间，通常用于天线的分析；

Symmetry （对称边界）：

用来模拟理想电壁对称面，或理想磁壁对称面；

在HFSS中应用对称边界条件可以沿着对称面将一分为二，在建模是，只需要创建集合模型的一部分，这样就可以减小集合模型的尺寸和设计的复杂性，从而有效地缩短问题求解的时间；

Impedance （阻抗边界）：

用于模拟已知阻抗值的电阻抗表面，例如薄膜电阻的表面；

Lumped RLC (集总RLC边界)：

类似于阻抗边界条件，利用用户提供的RLC值计算表面电阻的阻抗值；

Layered Impedance（分层阻抗边界条件）：

用多层结构模拟成阻抗表面，效果与阻抗边界相似；

Infinite Ground Plane （无限大地平面）：

将有限大的边界表面设置成无限大的地平面通常需要设置无限地平面边界，在理想导体边界条件，阻抗边界条件和有限导体边界条件的设置对话框中都有设置无限地平面的项；

Master and slave （主从边界）LBC：

关联边界条件；主要用于模拟平面周期性结构表面，例如阵列天线，主从边界主要存在主边界和从边界；二者总是成对出现的，而且两者的大小和形状以及方向都要完全相同；

PML （理想匹配层）：

能够完全吸收入射电磁波的假想各项异性材料边界条件；一是用于外差问题的自由空间截断，二是用于导波问题的吸收负载。

HFSS的激励类型：

HFSS中，激励是一种定义在三维物体表面或二维物体上的激励源，这种激励源可以是电磁波激励、电压源或者电流源。激励端口是一种允许能量进入或流出几何结构的特殊边界条件类型。

图2

波端口（Wave Port）：

HFSS中常用的激励方式；可用于计算S参数。

集总端口（Lumped Port）：

HFSS中常用的激励方式；可用于计算S参数

Floquet端口（Floquet Port）：

通常与主从边界条件一起使用，用于平面周期性结构分析。可用于计算S参数

Incident Wave：

入射波激励，主要使用入射过来的电磁波作为激励源，主要雷达反射截面的分析。可用于计算S参数

Voltage：

理想的电压源作为激励源；不可用于计算S参数

Current：

理想的电流源作为激励源；不可用于计算S参数

Magnetic Bias：

主要用于铁氧体材料的分析；不可用于计算S参数

波端口校准：

默认情况下，所有三维物体和背景之间的接触面都是理想的导体边界，没有能量可以进入；波端口设置在背景面上，用作模型的激励源并提供一个能量进入/流出的端口；

HFSS软件设定入射到端口上的每个模式的平均功率为1W.求解时，首先将端口1被1W的信号源激励，其他端口设置为0W；在该解产生后，端口2被1W的信号源激励，其他端口设置为0W，如此循环，最后的解时所有的解的叠加。

波端口一般是设置在背景平面上，不允许端口平面弯曲。

确定场的方向，设置电压积分路径。

积分校准线：对于模式驱动，波端口使用积分校准线，积分校准线具有以下作用：

1. 作为在端口对电场进行积分计算电压的积分路径，HFSS利用计算出的电压计算波端口的特性阻抗；
2. 定义每个波端口上场的正方向L对于任何一个波端口，wt=0时的场至少有两个方向，通过校准线来确定一个正方向；如果同一端口如果场存在两个以上可能方向，如圆端口，这时使用极化电场的选项。

对于有多个模式问题的求解，在定义波端口时每个模式都需要设置一个积分校准线。

端口尺寸估算：

波端口的边界默认的边界条件是理想导体边界；

对于波导或同轴线这类横截面比合的器件，端口界面四周都是导体，波端口直接定义在其终端横截面即可。

对于微带线、带状线、共面波导等开放或半开放结构的传输线，电磁场并不完全束缚在导体和参考地之间，部分电磁能量会辐射到传输线四周的空气和介质中，此时设置的波端口需要有足够大的尺寸，以避免电场耦合到波端口边缘上，影响传输线的特性，进而影响到计算的准确性。

根据工程实践经验，给出如图3所示的微带线、带状线、槽线和共面波导此类开放或半开放结构的传输线在设置波端口激励时端口的大致尺寸。

图3