CST入門11-Boundary邊界條件

來(lái)源：OPERA仿真專家之路更新時(shí)間：2024-06-22 閱讀：

計(jì)算有限大的問(wèn)題時(shí)需要指定邊界條件。邊界條件在Simulation下的boundary對(duì)話框中設(shè)置。

這時(shí)模型結(jié)構(gòu)將顯示彩色邊界框。根據(jù)邊界條件設(shè)置的不同會(huì)顯示不同的顏色。

可以雙擊窗口中的邊界條件圖標(biāo)來(lái)選擇一個(gè)邊界。或用鼠標(biāo)右鍵選擇對(duì)應(yīng)的設(shè)置：

邊界條件在低頻和高頻的含義有所不同，分開(kāi)說(shuō)明。

低頻：

Electric邊界：電邊界像完美電導(dǎo)體，電場(chǎng)的切向分量和磁通的法向分量都是零。電場(chǎng)垂直于邊界，磁通平行于邊界。對(duì)于所有的靜磁或準(zhǔn)靜磁應(yīng)用，電邊界條件對(duì)應(yīng)切向邊界條件。對(duì)于所有靜電或準(zhǔn)靜電應(yīng)用，對(duì)應(yīng)法向邊界條件。

Magnetic邊界：磁邊界像完美磁導(dǎo)體，磁通量的切向分量和電場(chǎng)的法向分量為零。電場(chǎng)平行于邊界，磁通量垂直于邊界。對(duì)于所有的靜磁或準(zhǔn)靜磁應(yīng)用，磁邊界條件對(duì)應(yīng)法向邊界條件。對(duì)于所有靜電或準(zhǔn)靜電應(yīng)用，對(duì)應(yīng)切向邊界條件。

Open邊界：開(kāi)放邊界將幾何模型虛擬擴(kuò)展到無(wú)限遠(yuǎn)。

Open (add space lf)邊界：類似于Open邊界條件，只是將幾何模型和實(shí)際應(yīng)用的邊界之間增加了額外空間，額外的空間用bounding box distance factor定義，增加的空間為bounding box的對(duì)角線長(zhǎng)度乘以這個(gè)factor，如果在background屬性中也定義了額外的space，則使用這兩者的較大值。

Normal邊界：法向邊界強(qiáng)制電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電流的切向分量在邊界處為零。在邊界處僅存在法向分量。對(duì)于所有靜磁或準(zhǔn)靜磁應(yīng)用，法向邊界條件等同于磁邊界條件。對(duì)于靜電或準(zhǔn)靜電應(yīng)用，等同于電邊界條件。normal邊界條件僅可用于靜電和靜磁穩(wěn)態(tài)電流求解器。

Tangential邊界：切向邊界強(qiáng)制電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電流的法向分量在邊界處為零。對(duì)于靜磁或準(zhǔn)靜磁應(yīng)用，切向邊界條件等同于電邊界條件。對(duì)于靜電或準(zhǔn)靜電應(yīng)用，等同于磁邊界條件。Tangential邊界條件僅可用于靜電和靜磁靜態(tài)電流求解器。

Periodic 邊界:周期邊界條件僅適用于靜電求解器，且只能用于六面體網(wǎng)格。

注意：能用electric, magnetic, open邊界的時(shí)候就不用normal, tangential

如果在邊界處定義源會(huì)覆蓋源位置處的邊界條件。例如，在tangential切向邊界條件處加一個(gè)電流端口會(huì)強(qiáng)制一個(gè)法向邊界的電流場(chǎng)。

高頻：

Electric邊界：電邊界像完美電導(dǎo)體:切向電場(chǎng)和法向磁通為零。

Magnetic邊界：磁邊界像完美磁導(dǎo)體，切向磁通和法向電場(chǎng)為零。

Open (PML) 邊界:開(kāi)放邊界通過(guò)使用完美匹配層(PML)邊界將模型虛擬擴(kuò)展至無(wú)限域。電磁波可以以最小的反射通過(guò)這個(gè)邊界。

Open (add space)邊界:與Open (PML)相同，區(qū)別是為了遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算會(huì)增加額外空間。對(duì)于天線仿真，建議用此邊界。PIC求解器中除了讓電磁波可以以最小反射通過(guò)外，PML還可以吸收額外的帶電粒子。但僅適用于用CPU計(jì)算的PIC求解，不能開(kāi)GPU加速。同樣如果在background中定義了額外的空間，使用兩者較大值。

在選擇open邊界后會(huì)有個(gè)open boundary的設(shè)置如下：

對(duì)話框中的參數(shù)一般不需要修改。所使用的PML公式提供了一個(gè)與材料無(wú)關(guān)的獨(dú)立的吸收邊界。Estimated reflection level:假設(shè)入射波垂直于單個(gè)open邊界區(qū)域時(shí)的反射量級(jí)，通常1e-4的就足夠了。減小該值可以提高仿真精度，但會(huì)增加內(nèi)存和仿真時(shí)間。

Automatic minimum distance to structure frame的對(duì)話框用于設(shè)置增加的求解域大小，使PML層遠(yuǎn)離幾何結(jié)構(gòu)，有利于收斂。相關(guān)參數(shù):Fraction of wavelength/Absolute distance combo box：前者增加的空間為（波長(zhǎng)/ 輸入的數(shù)值），波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的頻率在At frequency欄輸入或者使用求解頻率設(shè)置的中值；后者為直接定義距離大小。

Periodic邊界: 周期邊界可定義相移仿真計(jì)算域在對(duì)應(yīng)方向上周期性擴(kuò)展。因此周期邊界需要在某個(gè)方向上max和min位置同時(shí)使用。在屬性頁(yè)中設(shè)置“phase”和“scan angles”。通過(guò)定義邊界條件可以仿真周期性天線之間的近場(chǎng)影響。但注意這樣定義天線得到的是無(wú)限擴(kuò)展的天線方向圖，用farfield后處理中的antenna array最為準(zhǔn)確。

Conducting Wall邊界：等效定義了四周為一面有損金屬lossy metal材料的墻。

Unit Cell邊界：與周期邊界條件非常相似。區(qū)別是定義XY平面2個(gè)方向的二維周期性而periodic只定義了一個(gè)方向上的周期。

設(shè)置中選擇Fit unit cell to bounding box則模型將在其邊界框處重復(fù)，如下：

如果不勾選，則用S1(x)和S2'(y)定義兩個(gè)相鄰單元格在兩個(gè)不同坐標(biāo)軸方向上的距離。這兩個(gè)軸之間的角度由“grid angle”來(lái)定義。S1(x)與全局坐標(biāo)系的x軸恒對(duì)齊。

當(dāng)XY平面用unit cell邊界時(shí)，z方向使用open邊界則有floquet邊界設(shè)置選項(xiàng)，F(xiàn)loquet 端口與waveguide端口類似，都能求解反射和傳輸系數(shù)。Floquet只有Z方向激勵(lì)，而且是從Z方向的邊界激勵(lì)。而waveguide端口XYZ方向都可以。Waveguide端口可以用電或磁邊界限制，從而手動(dòng)形成具體的激勵(lì)模式（假設(shè)端口激勵(lì)整個(gè)空間），比如X方向?yàn)殡娺吔纾琘方向?yàn)榇胚吔纾缓蟀讯丝诜旁赯max或Zmin，這就和Floquet的基礎(chǔ)模式等效，TE(0,0)或TM(0,0)。Floquet只支持FEM。

Edit Floquet port: 指定要設(shè)置的Floquet端口。

Number of Floquet modes: 設(shè)置仿真將考慮的Floquet模式的數(shù)量。確保至少考慮了所有的傳播模式。Details中的列表可以用來(lái)選擇模式。

Distance to reference plane: 指定到參考平面的距離，通過(guò)s參數(shù)獲取正確的相位信息。正值將參考平面向外移動(dòng)，負(fù)值將參考平面向內(nèi)移動(dòng)。

Polarization independent of scan angle phi: 掃描角函數(shù)隱含在Floquet模式的極化中。如果勾選復(fù)選框，基本模式TE(0,0)和TM(0,0)將線性組合，產(chǎn)生的第一個(gè)模式的極化與設(shè)置的極化角對(duì)齊(以度為單位，對(duì)波導(dǎo)端口為端口的u軸)。

Detail點(diǎn)開(kāi)后列出關(guān)于Floquet模式的信息，用于自定義Floquet模式。“Nr”欄中的模式號(hào)只是一個(gè)順序模式號(hào)。

更多詳細(xì)可參考本站文章：