ANSYS软件在高频电磁场上的应用

真空基础 张德春 核工业西南物理研究院

  本文介绍了ANSYS 软件在高频电磁场仿真方面上的应用,分析了ANSYS 软件在进行三维高频电磁场仿真所涉及的有限元分析和电磁场方面的基础理论,简要阐述了ANSYS 软件的分析步骤、注意事项、高频电磁场激励源类型和电磁场边界条件等,用ANSYS 软件对矩形谐振腔进行了模态分析,得到的数值解与理论分析的结果符合的非常好,也正确的反映了矩形谐振腔的谐振模式。

  高频电磁场应用研究飞速发展,能够解决问题的复杂程度以及与现实条件的近似程度都有了巨大的提高。高频电磁场的边值问题的求解,可以归结为在给定边界条件下,对亥姆霍兹方程的求解。求解边值问题的方法,可以分为解析法和数值法两大类。对于简单的情况,可以得到方程的解析解,但在许多实际问题中往往由于边界条件过于复杂而无法求得解析解,在此情况下,一般是借助于数值法对电磁场进行分析求解。

  随着计算机的飞速发展和广泛的应用,各种行之有效的数值计算方法得到了巨大的发展。有限元素法就是其中发展比较成熟的一种数值计算方法,随着有限元理论的日益完善,出现了很多通用和专用的有限元计算软件。如ANSYS、ADS、HFSS 等,其中ANSYS 是基于有限元法的全三维的仿真分析软件,它是融结构、热、流体、电磁等一体的大型通用软件,它能够很灵活地建立模型和设置各种求解参数,可用来求解不同情况下的电磁场问题。特别适合几何或物理条件比较复杂的问题并能求解多耦合场问题的仿真,具有广阔的适用性。

1、ANSYS 高频电磁场分析理论

  高频电磁场分析用于信号波长和模型尺寸处于同样数量级的模型的仿真,或者波长数量级比模型尺寸还要小的结构中的电磁现象仿真。其仿真的高频波段范围从几百兆赫兹到几百吉赫兹。对半静态或低频问题,由于工作波长比结构几何尺寸大很多或者电磁耦合在系统内不明显,麦克斯韦方程组的位移电流被忽略,因此麦克斯韦方程组可以简化。对于高频电磁场问题,必须求解麦克斯韦的全系列方程组。因此,根本的问题就是解决高频全波电磁场问题,建立全波有限元方程和定义目标输出量。

  一个典型的有限元结构如图1 所示。封闭表面Г0 截短无限计算域到一个有限的数字域Ω,在此计算域中进行高频电磁场的仿真。一个电磁平面波从假设无限区域入射到有限元分析域,有限元分析域可能包括辐射源、各种材料和导体等。

典型电磁场仿真有限元结构

图1 典型电磁场仿真有限元结构

4、结论

  本为对ANSYS 在高频电磁场仿真方面的理论基础、具体步骤、高频源的激励类型等进行了简要说明。利用ANSYS 软件对矩形谐振腔进行了模态分析,分析结果与解析解符合的非常好,从E 场和H 场的矢量图和云图可以看出,ANSYS软件模拟结果完全符合理论模式,而且能正确的反映矩形谐振腔的谐振模式,分析精度非常高。

  ANSYS 在高频电磁场仿真方面非常灵活,不需要针对具体问题开发具体程序,节省了大量时间。对计算误差可以估计,可以提取结果类型丰富直观,也可以被其它程序调用,可以对各种具体工程问题进行快速有效的仿真估计和算法验证,具有广阔的实用性。