HFSS基本知識快速了解

2016-11-16 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

單頻率解決
單頻率解決在單個頻率點產生適應性或非適應性解,解決頻率在Solution Setup對話框中指定,并且通常是執(zhí)行頻率掃描的第一步。適應性解決指的是建立有限元網格并自動精修錯誤最高的區(qū)域——從而提高了隨后的適應性解的精度。執(zhí)行單頻率解決方案的程序如下所示:
頻率掃描
當你想通過一個頻率范圍產生解時,使用頻率掃描。你可以選擇以下一種掃描方式:
快速:為每個小頻率范圍產生唯一的全場解。最適用于突然共振的模型或在頻帶內改變操作的模型。一個快速掃描方案可以得到場在諧振點附近行為的精確描述。
離散:在頻率范圍內特定頻率點上產生場解。最適用于只用頻帶內一部分頻率點來精確描述結果。
插入:用來評估全部頻率范圍內的解。最適用于頻帶很寬且頻率相應比較光滑的情況,以及快速掃描的內存超出了可用值。
快速頻率掃描
快速頻率掃描為每個小頻率范圍產生唯一解。當模型在頻譜范圍忽然諧振或改變行為時選擇快速掃描。快速掃描能得到諧振點附近行為的精確表示。
HFSS使用頻帶中心頻率選擇合適的特征值問題從而為整個快速掃描產生一個解。然后使用基于適應性Lanczos-Pade掃描(ALPS)的求解器從中心頻率場解來外推要求的頻帶范圍的場解。
如果解決頻率位于頻帶范圍內(比起始頻率高且比終止頻率低),HFSS將解決頻率作為中心頻率。否則頻帶范圍的中點被用作中心頻率。
記住,HFSS在解決頻率的適應性解決中使用有限元網格精修,如果你沒要求適應性解決,產生的初始網格將應用于問題。系統(tǒng)將使用這個網格而不再進一步對其進行精修。同樣,中心頻率的場解是最精確的。取決于你在頻率范圍內要求的精度水平,你可以在其它中心頻率執(zhí)行頻率掃描。
全場解只在中心頻率被保存,而S參數(shù)在所有頻率點被保存;然而,快速掃描允許掃描范圍內所有頻率項的后處理。
快速掃描所需要的時間大大多于單個頻率解決的時間。
注意:當執(zhí)行快速掃描時,頻率范圍內的任何端口模式不能與切口相交叉。如果出現(xiàn)了交叉,一個錯誤信息就會出現(xiàn),列出違反這個原則的端口和模式。
快速掃描程序如下所示:
離散頻率掃描
離散掃描在頻帶內的特定頻率點產生場解。例如,指定頻帶1000MHz到2000MHz,步長2.5,結果是1000,1250,1500,1750,2000MHz的解。默認情況下,只有最后計算的頻率點的場解會保存,在這個例子中是2000MHz。設置了求解點后,如果你想保存特定點的場解,選擇Save Fields,每個頻率點的S參數(shù)被保存。你要求的步數(shù)越多,完成頻率掃描所需的時間越長。
如果頻帶范圍的解只需一些頻率點就能精確表示,選擇離散掃描。
記住,HFSS在解決頻率的適應性解決中使用有限元網格精修,如果你沒要求適應性解決,產生的初始網格將應用于問題。系統(tǒng)將使用這個網格而不再進一步對其進行精修。由于適應性解決的網格僅在解決頻率處被優(yōu)化,對于和此頻率相差較大的頻率,結果的精確度可能會有很大的變化。如果你想使變化最小,你可以選擇頻帶中心作為解決頻率。然后,檢查了結果后,在解決頻率設置為臨界頻率時運行額外的解決。
插入頻率掃描
插入頻率掃描評估了全頻范圍的解。HFSS選擇計算場解的頻率點從而使所有內插替換解落在允許誤差內。當解達到允許誤差標準或產生了最大數(shù)目的解后,掃描完成。要了解解的更多信息,增加步數(shù)并重新執(zhí)行掃描。
每個點的場解都會被刪除,這樣下一個點的新的場解就會產生。只有最后計算的頻率點的所有場解才會被保存。每個頻率點的S參數(shù)都會被保存。
當頻率范圍很寬或頻譜響應較為平滑,或者快速掃描的內存需求超出可得到的內存,選擇插入掃描。插入掃描所花的時間比離散掃描少的多,因為全場解是基于最少頻率點被內插替換的。插入掃描的最大時間可表示為單個頻率解決時間乘上最大解決次數(shù)。
記住,HFSS在解決頻率的適應性解決中使用有限元網格精修,如果你沒要求適應性解決,產生的初始網格將應用于問題。系統(tǒng)將使用這個網格而不再進一步對其進行精修。
解決類型(求解器設置)
受驅模式解決
當你想用HFSS計算微波傳輸帶,波導,傳輸線等被動高頻結構的基于模式的S參數(shù)時,選擇Driven Modal。S參數(shù)解決將用一系列波導模的入射和反射能量來表示。
受驅終端解決
當你想用HFSS計算基于終端的多導體傳輸線端口的S參數(shù)時,選擇Driven Terminal Solution。S參數(shù)的解將用一系列電壓和電流來表示。
本征模式解決
當你想計算一個結構的本征模式,或者諧振時,選擇Eigenmode Solution。本征模式解決器找到結構的諧振頻率并計算在這些頻率點的場。
本征模式解決
本征模式解決器可以找到損耗結構和無損結構的本征模式,可計算空腔的無負載Q。Q是品質因數(shù),是系統(tǒng)消耗了多少能量的量度。無負載Q是由無損材料造成的能量損失。因為端口和其他源被限制在本征模式問題中,被計算的Q不包括由這些源造成的損耗。
以下限制應用于本征模解決設計:
以下激勵不可被定義:端口,入射波,電壓源,電流源,偏置磁場源。
輻射邊界不可被定義。
頻率掃描是不可用的。
你不能觀察或繪制S矩陣參數(shù)。
設計不能包括鐵素體。
計算諧振頻率
本征模頻率(結構的諧振頻率)如下計算: ,其中c是光速,f是波頻。
計算品質因數(shù)
Q是無負載品質因數(shù),是結構中由損耗材料造成的能量損耗多少的量度。因為端口和其他源被限制在本征模式問題中,被計算的Q不包括由這些源造成的損耗。
HFSS使用下式計算近似的品質因數(shù),其中U是空腔存儲的總能量,P是功率損耗,例如電阻損耗。
計算自由空間波數(shù)
自由空間波數(shù)k0諧振模式的頻率有關,對于無損問題通過下式計算,其中S和T是依賴于模型幾何和網格的矩陣,x是電場解,k0是自由空間波數(shù)。
場解
在反復適應性求解過程中,在所有場解之前S參數(shù)是典型的穩(wěn)定。因此,當你有興趣分析與某個結構有關的場解時,使用比正常情況更嚴格的收斂準則是需要的。
另外,對于任意給定的適應性反復的數(shù)目,解出的磁場(H場)比電場(E場)的精確度低,因為磁場是通過它跟電場的關系由電場計算出來的。
場覆蓋圖
在HFSS中,場覆蓋代表在表面或實體內的基本場量或派生場量。繪制場的實體可以是模型幾何中已經存在的部分,也可以是你在后處理模式中回轉的實體。如果你選擇了一個表面,HFSS將在表面繪制場量。如果你選擇了一個實體,HFSS將在該實體的體積內部繪制場量。你可以選擇繪制場的標量圖或矢量圖。標量圖使用漸變線來說明表面或體積內的場量的數(shù)量。矢量圖使用箭頭來說明場量x,y,z分量的數(shù)量。
場量
默認的能被繪圖的場量,它們的定義,以及相應的單位如下所示:
場量定義單位
Mag E 電場模 V/m
Mag H 磁場模 Amps/m
Mag Jvol 體電流密度模 Amps/m2
Mag Jsurf 面電流密度模 Amps/m
Complex MagE 電場復數(shù)模 V/m
Complex MagH 磁場復數(shù)模 Amps/m
Complex Mag Jvol 體電流密度的復數(shù)模 Amps/m2
Complex Mag Jsurf 面電流密度的復數(shù)模 Amps/m
Vector E 電場 V/m
Vector H 磁場 Amps/m
Vector Jvol 體電流密度J(x,y,z) Amps/m2
Vector Jsurf 面電流密度J(x,y,z) Amps/m
Vector Real Poynting 坡印亭矢量,定義為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
指定場量被計算時的相位角使你能計算場數(shù)量在其周期不同點上的實部。這些量可表示為A(x, y, z, t) = A(x, y, z)cos(ωt + θ(x, y, z)),其中ω是場量相位角振蕩頻率,在解決時設定。θ (x,y,z)是相角(余弦波偏置量,峰值在t=0)。
峰值與RMS相量的對比
這部分關注場量在HFSS中是如何表示的。有些用戶用不到這些信息,例如想知道端口S參數(shù)或場解相對振幅的用戶。而想知道場量絕對值的用戶需要考慮兩種場表示方式的不同,即峰值和平均值。HFSS在頻域解決并獲得定態(tài)有限元場解的相量表示式。物理量如瞬時(時域)電場隨后作為派生量從相量表示式中得到。
如果Ex是代表時諧電場的“峰值”相量的x分量,在時刻t的物理電場x分量,表示為Ex(t),通過來計算,其中 R 是復數(shù)或復函數(shù)的實部, 是角頻率,j是虛部單位,t是時間。另外,如果Ex是一個“均值”相量,一個額外的因子是必需的,即。作為這些公式的結論,在一個整周期內觀察到的峰值物理場(Ex(t)),在峰值相量中max(Ex(t))= ,而在均值相量中max(Ex(t)= 。
另外,給定了相量E和H,要計算通過一個平面的平均能流,復坡印亭矢量的實部x分量要沿著表面積分。復坡印亭矢量S的正確表達方式取決于使用了那種相量。對于峰值相量,,對于均值相量, 。
HFSS的使用慣例如下:
入射到一個端口上的每個傳輸模式包括1瓦特的時間平均功率。
電路差值源用峰值形式來表示。也就是說,如果電勢差源數(shù)量是5伏,那么時域電路源表現(xiàn)為。同樣的情況也適用于電流差源。
平面波源用峰值形式來表示。也就是說,如果平面波數(shù)量是5V/m,平面波入射場數(shù)量可表示為。
輻射功率,例如通過場后處理器計算的,是用復坡印亭矢量計算的時域平均量。
場計算器中的相量是峰值相量。計算器中的坡印亭矢量按鈕因此用峰值相量執(zhí)行坡印亭矢量 ,無論是計算平均量還是瞬時量的計算都要遵守峰值相量慣例。
計算SAR
特定吸收系數(shù)(SAR)是損耗介質材料中電磁能量吸收量的量度。SAR是一個基本的標量場量,可以用HFSS在實體表面或內部被繪制。HFSS使用下式計算SAR:,其中 =材料電導率, 是電介質的質量密度,單位是質量/單位體積。
HFSS中有兩種類型的SAR圖:局部SAR和平均SAR。當計算局部SAR時,HFSS使用上述公式計算覆蓋圖中每個網格點的SAR。HFSS沿著圖內插替換網格點之間的值。在繪制平均SAR時,對于圖上的每個網格點,HFSS報告一個包圍該網格點的小體積的平均SAR。該體積由以下設置確定:材料的質量密度,包圍每個網格點的材料質量,它們在Specific Absorption Rate Setting對話框中設定。

開放分享：優(yōu)質有限元技術文章,助你自學成才