HFSS對稱邊界條件和阻抗倍乘器

        對稱邊界條件（Symmetry）用來模擬理想電壁對稱面或者理想磁壁對稱面。在HFSS中，應(yīng)用對稱邊界條件，可以沿著對稱面將模型一分為二，在建模時只創(chuàng)建模型的一個部分，這樣能夠減少物體模型的幾何尺寸和設(shè)計的復(fù)雜性，有效地縮短問題求解的時間。
        使用對稱邊界條件，在定義對稱面時需要遵循以下幾個原則。
        （1）對稱面必須暴露在背景中。
        （2）對稱面必須定義在平面表面上，不能定義在曲面上。
        （3）同一個設(shè)計最多只能定義3個相互正交的對稱面。
        在應(yīng)用對稱邊界條件之前，用戶首先需要確定對稱面的類型。HFSS中有理想電壁和理想磁壁兩種類型的對稱面：如果電場垂直于對稱面對稱，那么就使用理想電壁對稱面；如果磁場垂直于對稱面對稱，那么就使用理想磁壁對稱面。圖1所示的矩形波導(dǎo)截面能很好地說明這兩種類型對稱面的區(qū)別，圖中給出了波導(dǎo)電場主模（TE10模）示意圖。波導(dǎo)有兩個對稱面，一個是水平方向上經(jīng)過波導(dǎo)中心的對稱面，一個是豎直方向上經(jīng)過波導(dǎo)中心的對稱面。在水平方向的對稱面上，電場垂直于該對稱面且對稱分布，磁場平行于該對稱面且幅度不變，因此該平面為理想電壁對稱面；在豎直方向的對稱面上，磁場垂直于該對稱面且對稱分布，電場平行于該對稱面且幅度不變，因此該平面為理想磁壁對稱面。

 
圖1  波導(dǎo)的對稱邊界

        在HFSS中，應(yīng)用對稱邊界條件時，由于只需構(gòu)造模型的一部分，端口的尺寸發(fā)生了變化，因此端口處的電壓、電流和功率都有可能與完整的模型不同，進(jìn)而影響到端口的特性阻抗。為了使在應(yīng)用對稱邊界條件后，模型的端口特性和原端口保持一致，在定義對稱邊界條件時需要正確地設(shè)置圖2所示的阻抗倍乘器（Impedance Multiplier）。

圖2  設(shè)置阻抗倍乘器Impedance Multiplier

在講解如何正確設(shè)置阻抗倍乘器之前，我們先來看一下HFSS中端口特性阻抗的計算。在HFSS中，端口特性阻抗可以有3種方法計算，分別為功率/電流阻抗Zpi、功率/電壓阻抗Zpv和電壓/電流阻抗Zvi，具體計算方法如下。
        Zpi是根據(jù)功率（P）和電流（I）的值來計算的，即：Zpi = P/（I*I）
        Zpv是根據(jù)功率（P）和電壓（U）的值來計算的，即：Zpv = （U*U）/P
        Zvi是根據(jù)電壓（U）和電流（I）的值來計算的，即：Zvi = U/I
        其中，端口處的功率（P）、電壓（U）和電流（I），可以由場直接計算。
        因為在端口處功率和電流的定義明確，且更易于計算，所以默認(rèn)情況下，HFSS通過功率和電流來計算端口處的特性阻抗Zpi。用戶也可以設(shè)定計算Zpv和Zvi，因為端口處的電壓是沿著用戶定義的積分線積分計算而來的，所以為了計算Zpv和Zvi，用戶必須設(shè)定端口的積分線。
        在講解了端口特性阻抗的計算方法之后，我們就可以很好理解在應(yīng)用對稱邊界時，為何需要設(shè)置阻抗倍乘器以及如何正確設(shè)置阻抗倍乘器了。結(jié)合圖1，當(dāng)對稱面是理想電壁對稱面時，模型沿著理想電壁對稱面對稱地一分為二，此時端口處的電壓和功率都只有完整模型的一半，根據(jù)特性阻抗計算公式可以知道，此時計算出的特性阻抗只是完整模型的一半；因此，這種情況下，阻抗倍乘器的值需要設(shè)置為2。同理，當(dāng)對稱面是理想磁壁對稱面時，模型沿著理想磁壁對稱面對稱地一分為二，此時端口處電壓不變，功率只有完整模型的一半，根據(jù)特性阻抗計算公式可以知道，此時計算出的特性阻抗是完整模型的兩倍；因此，這種情況下，阻抗倍乘器的值需要設(shè)置為0.5。當(dāng)同時應(yīng)用了理想電壁對稱面和理想磁壁對稱面后，端口處的電壓是原來的一半，功率是原來的1/4，根據(jù)特性阻抗計算公式可以知道，計算出的特性阻抗和完整模型的特性阻抗一樣；因此，這種情況下，不需要設(shè)置阻抗倍乘器（因為阻抗倍乘器的默認(rèn)值為1）。
        對于對稱邊界條件，首先需要確定邊界條件的類型是理想電壁對稱還是理想磁壁對稱，確定了對稱邊界條件的類型后，沿著對稱面把模型一分為二，建模時只需要創(chuàng)建模型的一半。模型創(chuàng)建好了之后，對稱邊界條件的設(shè)置操作步驟如下。
        （1）選中模型的對稱面。
        （2）從主菜單欄選擇【HFSS】→【Boundaries】→【Assign】→【Symmetry】操作命令，或者在三維模型窗口內(nèi)單擊鼠標(biāo)右鍵，從彈出菜單中選擇【Assign Boundary】→【Symmetry】操作命令，打開如圖3所示的對稱邊界條件設(shè)置對話框。

 
圖3  對稱邊界條件設(shè)置對話框

        （3）在該對話框中，Name項輸入輻射導(dǎo)體邊界的名稱，默認(rèn)名稱為Symn；在Symmetry欄選擇對稱邊界條件類型：Perfect E是理想電壁對稱面，Perfect H是理想磁壁對稱面；單擊 按鈕，設(shè)置阻抗倍乘器的值，對于理想電壁對稱面阻抗倍乘器需要設(shè)置為2，對于理想磁壁對稱面阻抗倍乘器需要設(shè)置為0.5；最后單擊 按鈕，完成對稱邊界條件的設(shè)置。
        （4）設(shè)置完成后，對稱邊界條件的名稱會自動添加到工程樹中的Boundaries節(jié)點下。