CST入門11-Boundary邊界條件

來源：OPERA仿真專家之路更新時間：2024-06-22 閱讀：

計算有限大的問題時需要指定邊界條件。邊界條件在Simulation下的boundary對話框中設置。

這時模型結構將顯示彩色邊界框。根據邊界條件設置的不同會顯示不同的顏色。

可以雙擊窗口中的邊界條件圖標來選擇一個邊界。或用鼠標右鍵選擇對應的設置：

邊界條件在低頻和高頻的含義有所不同，分開說明。

低頻：

Electric邊界：電邊界像完美電導體，電場的切向分量和磁通的法向分量都是零。電場垂直于邊界，磁通平行于邊界。對于所有的靜磁或準靜磁應用，電邊界條件對應切向邊界條件。對于所有靜電或準靜電應用，對應法向邊界條件。

Magnetic邊界：磁邊界像完美磁導體，磁通量的切向分量和電場的法向分量為零。電場平行于邊界，磁通量垂直于邊界。對于所有的靜磁或準靜磁應用，磁邊界條件對應法向邊界條件。對于所有靜電或準靜電應用，對應切向邊界條件。

Open邊界：開放邊界將幾何模型虛擬擴展到無限遠。

Open (add space lf)邊界：類似于Open邊界條件，只是將幾何模型和實際應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的對角線長度乘以這個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：法向邊界強制電場、磁場、電流的切向分量在邊界處為零。在邊界處僅存在法向分量。對于所有靜磁或準靜磁應用，法向邊界條件等同于磁邊界條件。對于靜電或準靜電應用，等同于電邊界條件。normal邊界條件僅可用于靜電和靜磁穩態電流求解器。

Tangential邊界：切向邊界強制電場、磁場、電流的法向分量在邊界處為零。對于靜磁或準靜磁應用，切向邊界條件等同于電邊界條件。對于靜電或準靜電應用，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格。

注意：能用electric, magnetic, open邊界的時候就不用normal, tangential

如果在邊界處定義源會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電流端口會強制一個法向邊界的電流場。

高頻：

Electric邊界：電邊界像完美電導體:切向電場和法向磁通為零。

Magnetic邊界：磁邊界像完美磁導體，切向磁通和法向電場為零。

Open (PML) 邊界:開放邊界通過使用完美匹配層(PML)邊界將模型虛擬擴展至無限域。電磁波可以以最小的反射通過這個邊界。

Open (add space)邊界:與Open (PML)相同，區別是為了遠場計算會增加額外空間。對于天線仿真，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外，PML還可以吸收額外的帶電粒子。但僅適用于用CPU計算的PIC求解，不能開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邊界后會有個open boundary的設置如下：

對話框中的參數一般不需要修改。所使用的PML公式提供了一個與材料無關的獨立的吸收邊界。Estimated reflection level:假設入射波垂直于單個open邊界區域時的反射量級，通常1e-4的就足夠了。減小該值可以提高仿真精度，但會增加內存和仿真時間。

Automatic minimum distance to structure frame的對話框用于設置增加的求解域大小，使PML層遠離幾何結構，有利于收斂。相關參數:Fraction of wavelength/Absolute distance combo box：前者增加的空間為（波長/ 輸入的數值），波長對應的頻率在At frequency欄輸入或者使用求解頻率設置的中值；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算域在對應方向上周期性擴展。因此周期邊界需要在某個方向上max和min位置同時使用。在屬性頁中設置“phase”和“scan angles”。通過定義邊界條件可以仿真周期性天線之間的近場影響。但注意這樣定義天線得到的是無限擴展的天線方向圖，用farfield后處理中的antenna array最為準確。

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。區別是定義XY平面2個方向的二維周期性而periodic只定義了一個方向上的周期。

設置中選擇Fit unit cell to bounding box則模型將在其邊界框處重復，如下：

如果不勾選，則用S1(x)和S2'(y)定義兩個相鄰單元格在兩個不同坐標軸方向上的距離。這兩個軸之間的角度由“grid angle”來定義。S1(x)與全局坐標系的x軸恒對齊。

當XY平面用unit cell邊界時，z方向使用open邊界則有floquet邊界設置選項，Floquet 端口與waveguide端口類似，都能求解反射和傳輸系數。Floquet只有Z方向激勵，而且是從Z方向的邊界激勵。而waveguide端口XYZ方向都可以。Waveguide端口可以用電或磁邊界限制，從而手動形成具體的激勵模式（假設端口激勵整個空間），比如X方向為電邊界，Y方向為磁邊界，然后把端口放在Zmax或Zmin，這就和Floquet的基礎模式等效，TE(0,0)或TM(0,0)。Floquet只支持FEM。