ANSYS电磁场分析指南-HF

1、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

2、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、

3、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

4、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

5、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

6、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, ena

7、me, keyopt(1),keyopt(5)gui: main menupreprocessorelement typeadd/edit/deletekeyopt(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中间节点）keyopt(4) 选项用来解决一些特殊的高频问题的分析求解。keyopt(4)=0定义普通单元（缺省值），keyopt(4)=1定义 pml单元， keyop

8、t(4)=2定义特殊的散射单元。当用等效磁场源(soft source magnetic field)作为激励源（ bf,h 选项）时，在接受反射波的区域中的单元上需要定义此关键选项。在后面的 “完全匹配层 ”中对 pml有相应的介绍，在后面的“表面磁场源 ”中对散射单元和等效磁场源激励有相应的介绍。hf118单元仅用于模态分析，后面“高频模态分析”中将详细介绍。10.4.1.2 说明高频分析计算使用的单位制ansys 的高频电磁场分析中使用mks 单位制，自由空间导磁率为4p10-7h/m，自由空间介电常数为8.85410-12f/m。emunit命令详见 ansys命令手册，该命令的缺省值

9、为mks单位制。关于mks单位制参见 ansys耦合场分析指南中耦合场分析一章的具体描述。10.4.1.3 说明材料特性高频分析要求输入三种材料特性：相对导磁率对角张量(murx 、mury 和 murz) 、相对介电常数对角张量(perx 、pery 和 perz) 和电阻率对角张量（rsvx 、rsvy和 rsvz ）。对于均匀介质，程序缺省认为mury 和 murz等于 murx ， pery和 perz等于 perx ，rsvy和 rsvz等于 rsvx 。x，y，z 指用 esys命令定义的单元坐标系中的正交坐标。输入的导磁率和介电常数必须是与自由空间相比的相对值，导磁率是自由空间导

10、磁率和相对导磁率的乘积，介电常数是自由空间介电常数和相对介电常数的乘积。相对磁导率和相对介电常数的有效值为大于或等于 1。对均匀有耗介质材料，可以通过说明介质材料电导率与损耗角正切lsst(tand) 的关系来进行定义。损耗角正切 lsst(tand) 与介质材料电导率的关系可以表达为：tand=s/2 fe0evf 为频率 (hz) ，s 为电导率 (s/m) ，e0为自由空间介电常数（f/m）， ev为相对介电常数。10.4.2建立模型、定义材料特性、划分网格利用 ansys前处理器（ prep7 ）建立几何模型，这与大多数分析类型的建模过程完全一样，详见ansys建模和分网指南。10.4

11、.2.1定义模型各部分的特性在进行网格划分以前，要对模型的各个部分定义单元类型和材料号。用3-d 的 hf119和 hf120划分的模型区域，可以用vatt命令来完成材料的定义。用不同的材料号区别不同的材料区域。下表给出了处理不同材料区域的一般原则表 2处理材料区域的一般原则材料原则空气定义相对磁导率和介电常数为1无耗介质定义相对磁导率和介电常数，既可是各向同性，也可是各向异性（即预先定义的单元坐标系中的对角线张量）。已知导电率的有耗介质定义相对磁导率、相对介电常数和电阻（1/ 导电率），既可是各向同性的，也可是各向异性的。（即预先定义的单元坐标系中的对角线张量）已知损耗角正切的有耗介质定义相

12、对磁导率、相对介电常数和损耗角正切。若同时定义了电阻和损耗角正切，则程序只使用损耗角正切10.4.2.2划分网格用 ansys 前处理器（ prep7 ）来划分实体模型。参见ansys 建模和网格划分指南。网格划分必须达到一定的精度，以使离散的有限网格模拟连续材料分布时带来的误差足够小。通常，一个波长的长度最少需要10 个单元来模拟。为获得更准确的s参数计算结果，相对应的波导口要尽可能地在波传播方向上按照对应的1：1 的比例进行网格划分。10.4.3 加边界条件和载荷（激励）ansys 程序可以对实体模型，也可以对有限元模型施加边界条件与载荷。前者的好处在于使得施加的边界条件和载荷独立于有限元

13、模型，在进行网格细化后无需重新加载。10.4.3.1 加边界条件下表给出了进行高频电磁场分析的有效边界条件和载荷，你可以在实体模型或者有限元模型上施加相应的边界条件。详见后面的讲述。表 3 高频电磁场分析常用边界条件边界条件实体模型有限元模型完全导电体（ pec ）线或面节点完全导磁体（ pmc ）不必要施加1不必要施加1阻抗边界条件（ibc）面节点完全匹配层（ pml ）不能施加单元等效源表面标志不能施加节点或单元1.pmc边界条件作为自然边界条件会在有限元分析进行泛函分析时已经自然地得到满足。10.4.3.1.1完全导体（ pec ）通过对边界上自由度（dof ）的约束来定义pec边界条件

14、（也叫做电壁条件）。一般认为pec边界条件为理想边界条件，即，可以忽略不计传导损耗。考虑pec边界条件后，就可以不再对周围的导体进行建模了，只需在边界面上施加电场切向分量为0 的 pec边界条件即可（）。当利用对称性简化模型时，也可用pec条件来施加对称性边界条件。对 pec条件，可以用d,dl,da 命令设置表面的ax自由度为0。因为导体表面边、面上的自由度ax都是沿导体表面切向分布，故可以直接对表面边、面的自由度赋0。具体参见 ansys理论手册，可以了解到更多的关于切向矢量有限元的理论。当然，也可以通过gui 方式来施加pec边界条件。命令： d, dl, or dagui:main m

15、enupreprocessorloads-loads-apply-electric- boundary-electric wall-on nodesmain menupreprocessorloads-loads-apply-electric- boundary-electric wall-on linesmain menupreprocessorloads-loads-apply-electric- boundary -electric wall-on areas10.4.3.1.2 完全导磁体（ pmc ）通过对边界上自由度（dof ）的约束来定义pmc 边界条件（也叫做磁壁条件），这是不

16、考虑损耗的理想边界条件。对于高磁导率介质，就可以应用pmc 边界条件代替（）。同样，也可用pmc 条件来施加对称性边界条件，利用对称性来简化模型。注意： 由于 pmc 是自然边界条件，在有限元建模时已经考虑了，所以无需再专门定义声明，所有没有定义边界条件的边界面都被认为是pmc 边界条件（）。对实体模型施加边界条件可以使之独立于有限元网格的划分，以后若对有限元网格进行改动，也无需重新施加边界条件。10.4.3.1.3表面阻抗边界条件（ibc）下表给出了一些用于高频分析的阻抗边界条件。对于哪些需要精细网格划分的很薄的损耗层或很薄的电介质层结构，以及辐射条件，都可以用表面阻抗边界条件来近似处理。参

17、见下表关于阻抗边界条件的进一步描述。表 4 阻抗边界条件边界条件表达式1sf或 sfa命令标记远场辐射条件inf空气 - 介质界面impdpec上涂敷介质impd非完纯导体（ non-pec ）shld1: 和 分别为导磁率和介电常数，0和 0分别为自由空间导磁率和自由空间介电常数，为 pec上涂敷介质的厚度，f 为频率，为非理想电导体的导电率，r为相对导磁率， 2f 。可以直接对有限元模型的节点或实体模型表面施加表面阻抗，用下面的命令或gui方式来完成（将命令的lab设置为 inf、impd或 shld即可）。命令：sf ,nlist,impd,value,value2sfa ,area,l

18、key,impd,value,value2gui: ：main menupreprocessorloads-loads-apply-electric-boundary-impedance-on nodesmain menupreprocessorloads-loads-apply-electric- boundary-impedance-on areas对于阻抗表面加载标记（lab = impd ），value和value2分别表示阻抗的实部和虚部。当不知道阻抗的确切值时，或是要求解一个宽频段范围上的谐波解，通过屏蔽特性、导电率、相对磁导率来定义表面阻抗是非常方便的。仍然可通过gui和命令两种

19、方式来施加表面屏蔽特性。(lab = shld):命令sf , nlist, shld,cond,mursfa ,area,lkey,shld,cond,murgui：main menupreprocessorloads-loads-apply-electric- boundary-shield-on nodesmain menupreprocessorloads-loads-apply-electric- boundary-shield-on areas注意 : 导电率要定义为mks 单位制 (siemens/meter)，相对磁导率的缺省值为1.0 。对于 “远”的外边界，可以对它施加无限

20、远边界条件(lab = inf): 命令：sf , nlist,infsfa ,area,lkey,infsfl ,line,infgui: ：main menupreprocessorloads-loads-apply-electric-flag infinite surface-on nodesmain menupreprocessorloads-loads-apply-electric-flag infinite surface-on areasmain menupreprocessorloads-loads-apply-electric-flag infinite surface-on

21、 lines为了模拟远场辐射边界，需把远区的节点或远区的面作上无限远边界标记，传播到那里的电磁波要作为平面波吸收处理。当无限远边界离目标太近，散射波不是平面波或者球面波时，由于吸收不好，要产生数值误差。这时，需要用完全匹配层吸收边界条件来模拟远场辐射条件（参见下一小节）。同前面的各种边界条件一样，对实体模型施加边界条件可以使之独立于有限元网格的划分，以后若对有限元网格进行改动，也无需重新施加边界条件。10.4.3.1.4完全匹配层（ pml ）完全匹配层 (pml)是为了更好进行有限元计算，在有限元区域周围人为施加的截断边界，它由一层（或几层）吸收单元构成，对于入射的电磁波具有很好的吸收特性，

22、只产生很小的数值回波，因此能很好的模拟了电磁波向远区辐射传播的特性。采用pml ，就不再需要为大范围的逐渐衰减的电磁波辐射空间建模，大大降低了计算量。如果电磁波只需在一个方向吸收，比如在波导端口的情形，就只需在全局或局部坐标系中建一个1-d 的pml六面体离散的单元分布即可。如图6“ 带 pml吸收层的波导示意图”所示。下面是由一层（或多层）由内域指向开放域的单元构成的plm区域。如图7“3d模型内部区域”和图8“与内部区域相连接的pml层”所示。这些单元必须是在全局直角坐标系或者局部直角坐标系下构建。pml区域的边必须与直角坐标系的坐标轴保持一致。令hf119和 hf120的 keyopt(

23、1) = 1 就可以定义pml单元了。若使用 et命令，同样设置keyopt(1) = 1 即可。然后用这种单元剖分pml区域。pml区域的材料特性要设置成与相邻的内域一致。在图8“ 与内部区域相连接的pml层”中，你可以把介质材料特性延伸到相邻的pml层，剩下的pml层环绕整个自由空间，需要用户为他们指定特性。一个模型中可能存在多个pml层区域。每个区域都要有特定的局部单元坐标系（esys命令）。用local命令定义直角局部坐标系，并为把这些局部坐标系指定给pml中的单元（剖分前使用vatt或 esys命令，剖分后用 emodif 命令）。对于所有pml区域的外表面，都要施加pec边界条件。

24、对有限元模型用d命令，对于实体模型用dl或 da命令在 pml区的外表面施加pec边界条件。在pml区域中，不能再施加激励源。pml区的厚度要大于1/4 波长。若要想获得更好的精度，对于pml区域，最好划分成4 层或更多层单元。在目标与 pml层之间，或非连续的内部域内，要施加一些缓冲单元层（4 到 5 层）。pml区中反射自由度的控制可以在每个局部直角坐标系中完成。方向符号为zminus，yminus, zminus，xplus ，yplus 和 zplus ，“minus” 和“plus ” 分别指沿着坐标轴的负方向和正方向。在 pml各向异性介质中定义导行波的归一化反射系数（凋落波也会被

25、吸收），使用下面的命令或gui 方式：命令： pmloptgui： mainmenupreprocessorloads-loads-apply-electric-boundary-pml options-define若只在一个方向上吸收导行波（如x 方向），要定义为1-d pml 区（lab = one），同时只需为1-d pml 区定义 xminus 变量即可。对于3-d pml 区，可以在不同的方向上（xminus, yminus, zminus, xplus, yplus, and zplus），定义不同的归一化反射系数。归一化反射系数缺省值为1.e-2.5(-50db)。若只使用了较少

26、的pml层（如 4 层），但又设定了很小的归一化反射系数（如-100db），将产生明显的数值反射，即吸收性能不好。这种情况下，需要在设定反射系数前，增加pml层的分层数目。对增加的pml区，再次使用pmlopt 命令。参见 ansys命令手册中的pmlopt 命令和 ansys理论手册 5.5节中关于pml的描述。10.4.3.1.5 等效源表面对于要求近场和远场计算的问题（天线方向图、rcs 、场值），必须首先在前处理器中定义等效源表面，如下图图 9“等效源表面 ”所示。等效源表面要把辐射装置或散射体包围起来。一般，等效面要在辐射装置或散射体与 pml区域之间。等效面单元用来计算和存贮等效源

27、电流，这样，就可以在后处理器中快速的计算一些关心的远场结果。通过带有maxwell 标记 “mxwf” 的表面边界条件，就可以定义等效源表面。当时用表面加载定义等效源表面时要仔细，不要在对称平面的表面上施加（如图9 中的 y-z 和 x-z 平面）。当直接对单元施加表面标记时，请按照以下步骤：1). 选择与等效源表面相接的内域的单元( esel ).2). 选择这些单元的所有节点( esln ,s).3). 再选这些节点中的外部部分( esel ,r,ext).4). 施加表面标记 ( sf,all,mxwf).注意 : 不要用 sfa命令施加表面标记，进行此操作会使得此表面两边的单元都被标记

28、为表面，将导致错误的结果10.4.3.2 施加激励表 5“高频激励源 ”给出了高频分析中要用到的各种激励源。可以在实体和有限元模型上施加这些激励条件。表 5. 高频激励源激励条件实体模型有限元模型波导模式面节点体电流密度体节点 or 单元面电流密度面节点 or 单元线电流密度线节点点电流密度关键点节点平面波不必加不必加表面磁场面节点电场线或面节点10.4.3.2.1 波导模式激励源定义波导端口要分两个步骤：选择实体面或节点，定义波导端口的位置和端口号（端口号可以为1 到 50）定义端口类型（同轴、矩形、圆或平行板）和特性（几何形状和激励）通过选择面或节点来定义端口号。再用下面的方式之一来完成波

29、导输出端口的定义：命令： sf,sfagui：mainmenupreprocessorloads-loads-apply-electric-excitation-excitation-waveguideport-define port-on nodesgui：mainmenupreprocessorloads-loads-apply-electric-excitation-excitation-waveguide port-define port-on areas对输入端，用下面的方式之一来完成体加载。命令： bf, bfagui：main menupreprocessorloads-load

30、s-apply-electric- excitation-port interior-on nodesmain menupreprocessorloads-loads-apply-electric- excitation-port interior-on areas接下来就可以定义波导类型、几何特性、激励条件了。根据局部坐标系来定义波导几何特性。局部坐标系的原点必须放在未作对称处理前波导端面的中心。z 轴方向指向波传播的方向。用下面的方式之一来定义局部坐标系：命令：localgui：utilitymenuworkplanelocal coordinate systemscreate local

31、 csat specified loc定义波导，用命令或者菜单方式。命令： hfport ,portnum,porttype,local,mode,portbc,val1,val2,val3,val4,val5gui:main menupreprocessorloads-loads-apply-electric-excitation-port-exterior-on nodesmain menupreprocessorloads-loads-apply-electric-excitation-port-exterior-on areasmain menupreprocessorloads-lo

32、ads-apply-electric-excitation-port-interior-on nodesmain menupreprocessorloads-loads-apply-electric-excitation-port-interior-on areas变量porttype和mode分别定义波导类型和模式类型。表 6 波导和模式类型波导类型模式类型同轴波导 (coax)横电磁波 (tem)矩形波导 (rect)横电波 (temn)1横磁波 (tmmn)1圆形波导 (circ)横电波 (temn)2横磁波 (tmmn)2平行板波导 (para)横电磁波 (tem)横电波 (teon)

33、3横磁波 (tmon)31下标 m,n 分别表示沿矩形宽边和窄边的模式数2下标 m,n 分别表示沿园波导角度方向和径向方向的模式数3下标 m为 0，n 为平行板间的模式数定义端口存在的形式有两种，可以定义为波导模型的外端口，也可以定义为波导模型的内端口。外端口考虑强加的入射波，也考虑对此模式产生的反射波的吸收。内端口考虑强加的入射波，也考虑让所有的反射模式通过。设置变量portbc ，可以控制产生电磁波和通过反射波的能力。对一个端口，可以当作实端口，也可以当作虚端口。实端口由波导类型和模式定义为固定的场分布。虚端口是施加的入射场和波导中传播的反射波的总和。图10“ 实虚端口特性示意图”描述了实

34、虚端口。i) 外端口定义外端口时，impd和 hard 可以作为变量portbc的值。portbc = impd 定义了阻抗边界，此时，如果val3到val5值为空（其定义见表7），则此端口为指定模式的匹配阻抗端口。如果val3到val5值为非空，则需要用户定义入射电磁波，且此端口要吸收相应模式的电磁波。当使用impd选项定义一个基模时，必须保证端口位置离开不连续处或结构至少一个波长的距离，以确保其他反射模式被有效抑制。你可以在这个端口提取单传播模式的s参数矩阵。图11 展示了外端口的impd选项。portbc = hard 定义了一个强加激励窗口。此时，端口作为实源，施加入射电磁波，但没有吸

35、收其他模式的反射波。此时，不能计算s参数矩阵，因为此时没有考虑到其他模式的吸收问题。图12 展示了外端口的hard 选项。ii ）内端口内端口的优点在于考虑了强加的入射波，也考虑让所有的反射模式通过，这样就可以在离结构和不连续处非常近的位置设置端口，并且不影响求解精度。定义内端口时，sext 、soft和 hard 可以作为变量portbc的值。portbc = sext 严格求解s参数。该端口设置在1-d pml 区域前面，如下面图13“ 内端口选项sext ” 所示。可在此端口计算单模式的s参数。portbc= soft 用等效源来产生波导模式。在虚源模式下电磁波向两端传播。另外，所有的反

36、射模式通过此端口。此端口可以包含pml区域来吸收反射波和入射波，如图14“内端口选项soft ” 所示。可以在这个端口计算准确的单模式的s参数。portbc= hard 向两端传播电磁波，但是不允许反射波通过此端口。能够有效隔离各个独立区域，如图15“内端口选项 hard ” 所示。不能在此端口计算s参数。注意 ：内端口只能定义在一般单元区域（keyopt(4) 0），不能在pml区域内或在pml区域与一般单元区域的界面上。hfport 命令的val1到val5变量定义了其他的波导输入参数量。val1到val3定义的变量见下表。对于所有的波导类型，val4表示所加电压或电场的相位，val5是输

37、入能量（时间平均值）。可参见hfport 命令关于val1, val2, val3, val4, and val5变量的说明。表 7hfport 命令中val1、val2和val3的含义波导类型val1val2val3（均方根值）coax内半径外半径内外导体间电压rect宽度高度tm模式的 ez、或 te模式的 hz circ半径不用tm模式的 ez、或 te模式的 hz para宽度间距tem模式的 ey 、tm模式的 ez、或 te模式的 hz对于所有的波导类型，val4为施加电压或场的相位，val5为输入功率（时间平均），如果输入了功率，则覆盖原来施加的电压或场值。参见hfport 命令

38、的帮助文件。10.4.3.2.2电流源在高频结构中，可以施加电流源作为激励。电流源通过电流密度矢量三个方向上的分量（jsx、 jsy和jsz）和相位定义。如果电流密度矢量与全局坐标系不一致，则要用旋转节点坐标系（nrotate 命令）或单元坐标系 (esys命令 ) 来定义。无论是直接定义节点上的电流密度（bf命令）或是从实体模型转换到节点上（bfa 、bfl或 bfk命令），都要用旋转节点坐标系来指定电流密度矢量的方向。定义单元上的电流密度（bfe命令）或从实体模型转换到单元上（bfv命令）时，要用单元坐标系来指定电流密度矢量的方向。用/pbc,js,2 命令选项可显示电流密度矢量。a. 对

39、于体电流密度，使用下面的方式之一：命令： bf, bfv , bfegui: ：main menupreprocessorloads-loads-apply-magnetic- excitation-curr density-on nodesmain menupreprocessorloads-loads-apply-magnetic- excitation-curr density-on volumesmain menupreprocessorloads-loads-apply-magnetic- excitation-currdensity-onelementsb. 对于面电流密度，至少需

40、要在单元表面的三个节点上定义电流密度，表面电流源必须与单元表面一致，以下面方式之一定义：命令： bf, bfagui：main menupreprocessorloads-loads-apply-magnetic- excitation-curr density-on nodesmain menupreprocessorloads-loads-apply-magnetic- excitation-curr density-on areasc. 对于线电流源，需要在单元边的相连两点上，定义电流密度。线电流源必须与单元边一致，按照如下方式之一定义：命令： bf, bflgui: ：main men

41、upreprocessorloads-loads-apply-magnetic- excitation-curr density-on nodesmain menupreprocessorloads-loads-apply-magnetic- excitation-curr density-on linesd. 对于点电流源，必须在单元节点上定义，按照下面方式之一定义：命令： bf, bfkgui：main menupreprocessorloads-loads-apply-magnetic- excitation-curr density-on nodesmainmenupreprocess

42、orloads-loads-apply-magnetic-excitation-currdensity-onkeypoints10.4.3.2.3平面波可以使用入射平面波作为激励源。在全局坐标系中，通过定义电场极化矢量的各个分量和入射角的值，可以定义入射的平面波激励源：用下面方式定义外向波（自由空间谐波形式的入射平面电磁波）：命令： plwavegui：main menupreprocessor-loads-apply-electric-excitation planewave平面波的以下特性需要用户定义：x、y和 z 方向的电场幅值入射波矢量与x轴的夹角 (phi).入射波矢量与z轴的夹角

43、(theta)当平面波与带有pml吸收边界条件的无限远模型一起使用时，采用散射分析命令hfscat ，可以仿真体目标的散射效应。10.4.3.2.4 表面磁场激励源用下面的方式之一，可以在模型外表面施加固定值（实源）的磁场激励。命令： bf, bfa , hfportgui：mainmenupreprocessorloads-loads-apply-magnetic-excitation -magnetic field-on nodesmainmenupreprocessorloads-loads-apply-magnetic-excitation -magnetic field-on are

44、asmainmenupreprocessorloads-loads-apply-electric-excitation -port-exterior-on nodes (or on areas)也可以用虚源形式激励，它允许反射波在通过源表面时，不再产生任何反射波。可以用命令bf ，bfa ，hfport 或者等效的gui 方式来完成。等效电流由下式给出：式中的 h为面磁场。在计算区域的外节点上，加实源形式的表面磁场激励源，如图17 所示。如果表面磁场在计算区域的内节点上，则定义虚源形式的激励，如图18 所示。对于表面磁场源，在每个单元表面至少要定义3 个节点，表面磁场源必须与单元面一致，磁场通

45、过三个方向上的分量 (hx、hy 、 hz)和相位定义。如果磁场矢量与全局坐标系不一致，则要用旋转节点坐标系（nrotate命令）来定义。无论是直接定义节点上的磁场（bf命令），或是从实体模型转换到节点上（bfa ，bfl ， bfk命令），都要用旋转节点坐标系来指定磁场矢量的方向。用/pbc,h,2命令选项可显示磁场矢量。当用命令bf或 bfa定义内磁场源时，反射波传播区域内的hf119或 hf120必须定义成散射单元 (keyopt(4) = 2) 。当然，对于pml区域，仍然要定义为keyopt(4) = 1 。10.4.3.2.5 电场激励源用下面的方式之一可在外表面施加固定电场激励源

46、。命令： bf, bfl , bfagui：mainmenupreprocessorloads-loads-apply-electric-excitation -electric field-on nodesmainmenupreprocessorloads-loads-apply-electric-excitation -electric field-on linesmainmenupreprocessorloads-loads-apply -electric-excitation -electric field-on areas对于线电场激励源，要在由单元边连接起来的两个节点上定义电场，线

47、电场激励源要与单元边一致。对于表面电场激励，至少要在同一单元面的三个节点定义电场，表面电场激励源要与单元面一致。电场通过三个方向上的分量(ex、ey 、ez)和相位定义。如果电场矢量与全局坐标系不一致，则要用旋转节点坐标系（ nrotate 命令）来定义。无论是直接定义节点上的电场（bf命令），或从实体模型转换到节点上（bfa 、bfl 、 bfk命令），都要采用旋转节点坐标系来指定电场矢量的方向。可用/pbc,ef,2命令选项来显示电场矢量。电场激励源是固定的实源，当电场激励强加到单元节点上后，ax自由度自动更新。对于电场激励，hf119和 hf120只能使用一阶单元选项。10.4.4 求解

48、高频谐波分析ansys 可以仿真3d谐波分析中的电磁波传播、辐射、散射等现象。用下面方式进入求解器：命令： /solugui：main menusolution10.4.4.1 定义分析类型用下面方式：命令： antype ,harmicgui：main menusolutionnew analysisharmonic analysis对于谐波分析不能使用重启动，如需要进行不同加载的分析，需要做另外一次分析。10.4.4.2定义分析选项。对于全波谐波分析，可以选用波前求解器（缺省值）、稀疏矩阵直接求解器（sparse ）或不完全乔列斯基共轭梯度求解器（iccg ）。命令： eqslvgui：m

49、ain menusolutionanalysis options对于相对较小（小于等于50,000 个自由度）的问题，推荐选用波前求解器。对于较大问题，稀疏矩阵求解器较好，也可以用iccg求解器。但是如果iccg不收敛，那么还得用波前求解器或稀疏矩阵求解器10.4.4.3设置分析频率用下面方式设置频率（单位为hz）：命令： harfrqgui：main menupreprocessorloads-load step opts-time/frequenc freq and substps如果通过设置harfreq 的频率范围来进行频段扫描的话，那么你每一个加载步的数据都会存储，只能手动的处理每个

50、频率的结果。10.4.4.4定义散射分析用下面方式进行纯矢量散射分析：命令： hfscatgui：main menusolutionanalysis options用 hfscat 命令声明进行散射场分析计算，并且定义输出那种类型的电磁场：采用散射列式并存储散射场esc(lab = scat).采用散射列式并存储总场etotal = einc + esc (lab = total)关闭散射场分析(lab = off)如果要在后处理中计算雷达截面（rcs ），则必须声明lab = scat，还必须用sf或 sfa命令在环绕散射体的封闭表面上施加虚等效电流源标记(lab = mxwf)。在散射分析

51、中只能使用hf119和 hf120的一阶单元。10.4.4.5求解命令： solvegui：main menusolutioncurrent ls在一个频段内进行分析求解时，可以通过调用hfsweep 宏或直接用harfrq 命令定义频率范围来完成。hfsweep 自动分析求解并自动执行其它ansys 宏命令（如sparm、 impd和 reflcoef 等），这些宏自动计算s参数和其他系数。如果用harfrq 命令定义频段范围以进行频率扫描分析时，需要存储每个载荷步的数据并在后处理中手工处理每个结果集以获得s参数和其它系数数据。宏的详细描述参考本章下面第九节“高频器件参数计算” 或第 11

52、章“电磁场中的宏命令”，也可参见ansys 命令手册。当采用 hfsweep 时，对于同轴波导，可选择计算多端口s参数或反射系数、电压驻波比、回波损耗和从激励端口到某一位置的输入阻抗。对于矩形波导，可计算多达4 个端口的s参数。 ansys 程序计算出这些数据后，贮存在数组参数hfdata 内。程序可以用表格方式交互地显示结果和通过输出文件hfsweep.out输出。数据同时也贮存在图形文件hfsweep.gprh中。可以用 ansys 的 display程序观察图形。通过hfsweep.out文件或 hfdata 数组参数，用户可以把数据输出到第三方软件中去。在开始一个长的频率扫描前，进行一

53、个短的扫描（一或二个频率）分析以确保正确定义了全部输入数据。执行 hfsweep 宏的方式如下：命令： hfsweepgui：mainmenusolution-solve-electromagnet-hf emag-freq sweep注意： 使用 hfsweep 宏时可能需要在模型上定义一个或多个路径。在执行频率扫描以前，必须在后处理器中定义这些路径（path 和 ppath 命令）且把它们贮存到数组参数（paget 命令）中。关于路径或path 、ppath 、paget 命令的描述见ansys 基本分析过程指南。关于如何定义路径请参见第11 章 “磁宏 ”中对impd和 reflcoef

54、 宏描述。hfsweep 进一步的叙述见第11 章。10.4.4.6 退出求解器：命令： finishgui：main menufinish10.4.5 查看结果ansys 谐波高频电磁场分析的结果数据存在jobname.rmg 文件中（如果使用了时间积分电势（volt ），则结果就存在jobname.rst文件中），数据类型如下。这些量大多呈谐波变化，可以分别对这些量的实部乘以cos( t) 再加上虚部乘以sin( t) 以获得一个可比较的量，其中 为角频率。详情可参见ansys 理论手册。主数据： 节点自由度（ ax ）导出数据：节点电场（ ex,ey,ez,esum ）节点磁场强度（hx

55、,hy,hz,hsum ）单位体积生成的焦耳热（jheat ）单元波印亭矢量（px,py,pz）参见 ansys单元手册以了解其他可以得到的参数。用 post1通用后处理器来观察结果。一般来说，结果数据和激励是异相的（一般结果滞后于激励），可以用复数表示。根据实部虚部来计算并存储以上提到的需要的结果。用下面的方式选择后处理器。命令： /post1, /post26gui：main menugeneral postprocmain menutimehist postpro10.4.6后处理中要用的命令或guiansys 提供大量的命令和gui，以备用户在后处理中方便调用。表 8 后处理 gui

56、路径和命令任务命令gui 路径选实部解set ,1,1,0mainmenugeneral postproclist resultsresults summary选虚部解set ,1,1,1同上输出电场或磁场和角节点1、 3prnsol ,ef (or h)mainmenugeneral postproclist resultsnodal solution输出角节点处电场1、 3prvect ,efmainmenugeneral postproclist resultsvector data输出角节点处坡印亭矢量1、 3prvect ,p同上输出角节点处磁场1、 3prvect ,h同上输出单元

57、节点处的电场或磁场3presol ,ef (or h)mainmenugeneral postproclist results element solution输出焦耳热密度2、4presol ,jheat同上创建质心处电场3的单元表选项，x分量(y, z分量和合成矢量与此类似)etable ,lab,ef,x mainmenugeneral postproc element table define table创建质心处磁场3的单元表选项，x分量(y, z分量和合成矢量与此类似)etable ,lab,h,x 同上创建焦耳热密度的单元表选项2、4etable ,lab,jheat同上输出单元

58、表的简介pretab ,lab,. mainmenugeneralpostproclist resultselem table data注： 1. 节点周围已选单元的平均值2. 乘以单元体积就可得到能量损失3. 谐波分析的瞬时值（实部/ 虚部值，在t=0 和 t 90 处）4.rms（均方根）值，实部和虚部合成的一个可比较值关于注释的详细描述，参见ansys 理论手册。etable命令还可以列出不常用的选项，hf119和 hf120的选项的具体描述参见ansys 单元手册。还可以可视化的输出这些结果，用“pl” 开头的命令代替“pr ”开头的命令（如用prnsol 替换 plnsol ）。相应

59、的 gui路径也参见下表。表 9 绘图命令和gui路径对于下列命令替换为gui path. prnsolplnsol utilitymenuplotresults contour plot nodal solutionprvectplvect utilitymenuplotresults vector plotpresolplesol utilitymenuplotresults contour plot elem solutionpretabpletabutilitymenuplotresultscontour plot elem table data还可以图形显示单元表的内容，具体可参见a

60、nsys基本过程指南。ansys 的 apdl语言中还有一些在后处理中非常有用的命令，还有一些在后处理中非常有用的磁宏（参见电磁宏）， apdl的详情可参见 ansys用户可编程特性指南。下面两节讲述一些post1中关于近场、远场计算和高频器件参数计算的典型操作。关于其它的后处理操作，参见 ansys基本分析过程指南。10.4.7 计算近场和远场结果后处理器中有专门的命令来计算离开有限元计算区域不同距离处的近场和远场结果。命令hfnear 、prhffar 和plhffar 通过等效源原理来确定近区和远区场。等效源原理的简单意思是：用一个等效面（往往这个表面也是假设的）上的等效电磁流来代替真实