ANSYS电磁场分析指南-HF.doc

第十章 高频电磁场分析 10.1高频电磁场分析简介 当信号波长小于模型的几何尺寸或与模型的几何尺寸差不多时，ANSYS的高频电磁场分析模块可以对此时的电磁场现象进行仿真。高频电磁场分析的频率范围可以从数百MHz到数百GHz，主要分为内问题（如：射频和微波器件）和外问题（如：电磁辐射和散射）两大类。 10.2 高频电磁场分析中的有限元分析 对于电磁场仿真来说，有限元分析是方法在当前工程实践中运用相当成功的频域分析计算方法的一种，它可以计算任意复杂结构和任意复杂材料的问题。它处理复杂材料的能力在当前各种电磁仿真方法中尤为突出，因为在工程实际中，比如，天线、微波电路、散射装置、电动机、发电机等的分析计算中，往往还需要对非金属的材料进行仿真。在不同的频段范围，有限元方法有着广阔的应用。在以下的电子工程实践应用中，有限元方法具有特别的优势： ·微波电路和器件·高速数字电路·天线·电磁干扰（EMI）与电磁兼容(EMC)·生物医学 如下图1所示的是一个典型的有限元（FEA）仿真结构： 高频有限元分析程序以如下赫姆霍兹方程的弱积分形式为基础： 对于散射问题，相对于总场来说，分析人员更关心散射场的信息，此时赫姆霍兹方程的弱积分形式为： ANSYS高频单元采用切向矢量有限元方法，参见ANSYS理论参考手册5.5节。 ANSYS程序由前处理器、求解器、后处理器构成。前处理器完成高频器件几何模型的构建、施加激励、边界条件和其他强加约束等功能。求解器的功能是进行单元描述，把单元矩阵组集到总体有限元矩阵中，施加合适的边界条件、约束和激励源，建立并完成有限元方程的求解。后处理器可以对计算所得的电磁场结果进行矢量图形和云图显示，还可以根据用户需要计算用户所关心的物理参量，如散射矩阵（S参数）、阻抗值、近场结果、远场结果、RCS(雷达截面)以及天线方向图等等。 ANSYS程序提供二维和三维切向矢量有限元来进行谐波和模态分析，即假设时间域上电磁场是以表达的函数。 图2是ANSYS电磁场谐波分析流程图，详情参见后面《用ANSYS进行高频谐波分析》的具体介绍。 图3是ANSYS电磁场模态分析流程图，详见后面《用ANSYS进行高频模态分析》的具体介绍。 10.3 高频电磁场分析中用到的单元 ANSYS提供3种高频单元用于高频电磁场问题的分析求解：HF118、HF119、HF120。 HF118是仅仅用于模态分析的2D单元，可用于分析求解高频传输线的传播特性参数，包括求解多模式传播时的截至频率和传播常数。 HF119和HF120是3D单元，用于谐波和模态分析。 表1电磁场单元 单元 维数 形状和特性 自由度 HF118 2-D 四边形，可退化成三角形，8节点 电场E的谐波形式（ANSYS中自由度为AX） HF119 3-D 四面体,10节点 电场E的谐波形式（ANSYS中自由度为AX） HF120 3-D 六面体，可退化成四面体，20节点 电场E的谐波形式（ANSYS中自由度为AX） 详见单元手册中关于HF118、HF119、HF120的描述。关于谐波形式详见《ANSYS理论手册》。 注意：不能用其它的静电单元、静态磁单元、动态磁单元来进行高频分析，因为这些单元没有考虑高频情况下电磁耦合产生的位移电流效应。 10.4 进行高频电磁场谐波分析 与ANSYS的其它分析类型一样，高频电磁场谐波分析也需要建立物理环境、建立几何模型、为模型各个区域定义相应的属性、划分网格、施加边界条件和载荷（激励）、求解、最后输出显示计算结果。前面提到的图2就是ANSYS电磁场谐波分析流程图。 10.4.1 建立物理环境 为分析工作定义文件名和标题，文件名是进行ANSYS记录、保存数据要使用到的名称，标题会在GUI的图形输出窗口打印输出。在GUI模式下，进入参数选择菜单，说明将要进行高频分析工作。 GUI方式：Main MenuPreferenceElectromagnetic: High Frequency 本操作的目的在于：进行后面的分析操作时，高频分析所需的相关菜单选项才会被激活，而其他无关的菜单选项则不被激活。 10.4.1.1 定义单元类型和实常数 对于HF119和HF20单元，以下面两种方式来定义单元类型和关键项选择 命令: ET, ITYPE, Ename, KEYOPT(1),,,,KEYOPT(5) GUI: Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete KEYOPT(1)选项用来定义单元多项式的阶数，KEYOPT(1)=0或1是一阶单元，KEYOPT(1)=2是二阶单元。定义KEYOPT(1)=2（二阶），单元会自动内插值增加自由度，以提高求解精度。不要在一个模型中同时混合使用不同阶数的单元。（一阶单元和二阶单元都有