第六章网格操作

第六章网格操作这一章将提供AnsoftHFSSv9.0软件网格划分操作的细节。讨论默认和用户控制的弯曲网格划分以及在矩阵解中使用的新的体积校准（volumecorrection）能力。将讨论以下几个题目。a.曲线几何物体网格自适应；b.面的默认设置；c.在FEM解算中的体积微扰；d.用户定义的表面近似；e.使用建议；f.应用网格划分操作。下面的例子提供本章讨论内容的说明。a.标准的圆柱谐振器（PillboxResonator）；b.腔体半球形介质谐振器天线；c.加速器轮幅腔应用；d.园波导正交直模式结。§6.1在HFSSv9.0中的曲线自适应网格HFSSv9.0划分网格时处理曲线表面与以前版本的HFSS不同。正确地理解处理曲线网格的差别和HFSSv9.0新能力的先进性将有助于得到准确的结果。新的画图用图形界面鼓励使用者更多地使用真实曲线，从而排除了用一些小平面构造原始物体，例如园、圆柱、球和椭圆的选项（如果需要，这些小平面仍然可以在多面体和多面实体中使用）。初始网格划分由划分网格算法的第一次pass所做的分割小平面的决定强制执行。然而，在HFSS的早期版本，自适应网格点能够被放置在受影响物体真实表面的任何地方。如下图所示自适应加密网格前、后的图像（左侧为初始网格，右侧为自适应加密后的网格。请注意，自适应加密以后常规的小平面没有被保留。）。在HFSSv9.0中，为了对根复杂的几何形状提供更充满活力的网格划分，为了满足物体曲线所做的初始小平面选择在自适应过程中得到尊重，所以，自适应网格划分是在相同网格体积作为初始网格条件下对网格的进一步细分。下图是一个HFSSv9.0的自适应网格。§6.2网格曲面默认设置为了以合理的尺寸保持初始网格，初始的网格曲面默认设置为网格曲面法线与真实曲面法线保持在22.5度以内。这意味着，圆柱表面将被分割成关于圆周的16节（如下图所示）。每一节平面的法线与真实表面法线的夹角都不会大于22.5度。虽然有现在在HFSSv9.0中使用的体积微扰技术的帮助，仍不能预期这种默认的网格曲面设置对谐振腔内部、球形接头等极高准确性的分析是足够的。网格曲面默认值不包括严格的纵横比默认值（注意圆柱表面从上到下的长三角形）。默认值对大多数应用是足够的，在这些应用中几何曲线对仿真结果本身不是临界的，但是，在非常大的初始网格中将会产生非常多的小平面。应用举例：a.具有信号和非信号过孔的传输线模型的网格划分。这些过孔是为了防止在带状线和共面波导中的平行板模式b.同轴线应用。为了计算特性阻抗，此处同轴线内导体和外导体的网格保持有效地合适的距离。c.圆柱或球作为辐射边界使用。较少应用：a.圆柱谐振腔频率相应精度达到0.001%。b.椭圆波导耦合膜片。c.圆波导。§6.3HFSS解算中的体积微扰尽管在自适应过程中添加网格点时较低级的四面体平面“顺从”几何物体真实曲线，HFSSv9.0还是引入了一种新的解算技术。这种解算技术用比以前版本更少的网格数给出更精确的解。这种技术被称作体积微扰或体积校正。在一个圆柱实体网格的平面上，一小部分圆弧截面的体积被“丢失”到圆柱体中并且变成围绕圆柱体周围体积的一部分。由于在画小平面之前真实几何形状的定义是已知的，由这些条形区域表示的体积差能够被计算。HFSSv9.0中的网格算法能够给四面体中心边界点位置和在曲线边界每个侧面上的正确地四面体体积提供“调整因子”，所以尽管是使用松散分离网格，FEM求解过程仍能够提供正确的求解条件。最后的结果是相同的网格提供更高的精度，甚至在进入自适应细分网格之前，我们也能体会到它的好处。体积微扰求解过程总是开通的，不需要使用者去设置和激活它们。§6.4使用者控制曲线划分网格平面由于仅有体积微扰往往是不够的。使用者利用给合适的物体或物体表面的网格选项中的表面近似（MeshOperation/SurfaceApproximations）赋值能够控制所划分网格的保真度。网格选项可以从HFSS菜单执行，也可以从设计树（DesignTree）或图形界面的上下文相关菜单执行。表面近似选项的定义如下：表面偏移（SurfaceDeviation）：表面偏移是四面体表面与真实曲线几何体表面之间的最大间隔。间隔的长度单位是画图时使用的单位。法线偏移（NormalDeviation）：法线偏移是四面体表面的法线与真实曲线几何体表面法线之间最大的角度差。单位是度。纵横比（AspectRatio）：纵横比是所选体或表面上所有四面体全部表面能够允许的最大纵横比。这一设置影响网格的质量而不是实际的网格体积或表面定位。每一个选项都可以被强制选择、留给默认选项或整个关闭。其中忽略（Ignore）：忽略表示没有约束被赋值,HFSS将产生普通的初始网格。甚至没有任何HFSS能够遵从的“内置”表面近似指令设置。使用默认（UseDefaults）：使用默认表示保留“内置”时的约束。如果你不希望约束的太紧并且不希望放弃它，你就可以选择这个设置。当然采用使用者约束值也许比没有特别说明的内置约束紧或松。设置比默认值松散的约束也许需要同时把相邻物体设置为相同的松散约束。这使得界面上的默认值不会先起作用。使用建议：1．不要过度设置。a.利用运行更多的自适应Passes数或添加另外的网格划分指令，添加网格比减少网格容易得多。b.太严厉的设置（例如：1度的法线偏移）将产生很差的网格质量。这是由于纵横比，环绕物体很差的网格梯度等原因。2．使用纵横比设置同时只能使用法线或表面偏移设置中的一个。对圆柱形状的物体，同时会碰到曲面和平面。法线和表面偏移设置只能用于曲线表面。同时设置纵横比限制（例如：4:1）将在平面表面上强制产生少量额外的三角形并且有助于防止产生清除整个网格。3．如果想减少网格，考虑使用多面体和多边形。如果你的设计包含很多你只想粗糙划分网格的曲线物体（例如：接地过孔的全部围栏，在这种条件下22.5度的默认法线偏移是没必要的），并且几何物体不是很重要，考虑把过孔画成六边形甚至四方形实体。而不是不得不记住去减少这些物体网格划分的保真度。§6.5使用网格操作如果你想在一个表面或体积细分网格但又不想产生一个解。定义网格操作以后做以下操作。a.如果已经产生了当前网格，HFSS将利用确定的网格操作细分这些网格。b.如果没有产生了当前网格，HFSS将把网格操作的指令施加于初始网格划分。c.如果初始网格没有产生，HFSS将产生网格并把网格操作的指令施加于初始网格划分。d.如果确定的网格操作已经被施加于挑选的表面或物体，当前网格不能改变。e.定义一个新的网格操作而不要修改一个已经存在的网格操作。HFSS将不会重新施加一个修改的网格操作。应用网格操作而不去求解，使你能在特别的问题区域做细分网格的实验而不会丢失设计的解。你不可以恢复已经应用的网格操作。但你能利用关闭项目而不保存它们的方法放弃你的设置。例一：盒形谐振腔来源：（规范的）描述：盒形谐振器是一个圆柱谐振腔。它准确的谐振频率可以用下面的解析公式计算。22222nmpTEnmrcqpflb22222nmpTMnmrcppflb其中：,,nmp阶TE,TM方程中的p表示腔体轴线方向的半波长数。nmp和nmq分别表示零阶Bessel函数及其导数。b是腔体半径，l是腔体高度。c是腔体介质中的光速。标准：构造一个半径和高度均为10cm的盒形谐振腔。腔体内填充介质为真空。腔壁为理想导体。计算3个本征模式，利用表面近似选项，把法线偏移设置为变量。法线偏移以5度为步长从5度变化到45度。纵横比设置为5：1。表面偏移设置为“忽略”。解设置的起始频率为0.25GHz（确保表面近似设置在超过起始频率时不添加网格）。解算将持续到delta-f=0.01%或10个Passes。二者只要有一个条件达到，解算都将中止。仿真计算与解析解的比较如下图所示。其中，Bessel函数零点的函数计算到5位（例如：p11=1.84118)。光速为299792458m/s。结果：观察：对于高阶模，绝对误差比较高。这是由于升高的频率不受所施加的法线偏移约束。a.预期的解依赖于起始频率。b.所增加的自适应网格单元被所有模式共享。但是，与更基本的模式相比高阶模更关注场的峰值。因此，对低阶模更迅速的改善是一个自适应技术的假象并且不是一个体积校准能够强烈影响的。c.注意对于更高频率模式的高精度分析，按所设定的求解最低模式的求解过程能够被完成。d.对于最低模式，默认的22.5度的设置将产生优于0.05%的误差。40度和45度两种设置具有相同的网格和计算结果。当应用“减少”网格时，其它质量检验仍然约束计算结果。这些约束超过表面近似设置所需要的。结论：对于简单的规范形状和基模，增加网格面并不是必需的。除非要求特别高的精度偏移要求。例二：介质谐振器天线（DRA）来源：K.K.SoandK.W.Leung,“AnnularSlotExcitedDielectricResonatorAntennawithaBackingCavity,”Proceedingsofthe2002IEEEAntennasandPropagationSocietyInternationalSymposium,SanAntonio,TX,June2002,Volume4描述：由跨越环形槽的提供信号的半球介质谐振器天线（DRA），环形槽实现介质谐振器到下面半球形谐振腔之间的耦合。本项目包含球形和平面圆形曲线的结合，这是一个使用体积校准近似的例子。上述文献提供了作者推导的解析结果和实验数据。标准：模型几何形状如下图所示。其中使用了一个对称面。腔体（真空填充）半径是25mm。介质谐振器半径是12.5mm。介质谐振器材料9.5r。圆环槽外半径为5.8mm，环的槽宽度为1mm。利用集中间隙源（lumpedgapsource）产生一个环形端口馈源（见下面图像的细节）。一个半径为30mm，高度为35mm的多面体（16面）作为辐射边界。底部的地平面处理成“无限大地”边界条件。求解仅要求使用默认的表面近似设置。在自适应频率3.75GHz，自适应解设定为10个Passes或delta-S达到0.01。要求从2.5GHz到5GHz的快速扫频。结果：绘出的S11与频率的曲线和Z11实部、虚部与频率的关系曲线如下图所示。这些结果几乎与源文件报道的测试结果完全一致并且比源文件的分析结果更接近测试结果。如果用HFSSv8.5求解并获得与HFSSv9.0有效地相同结果，HFSSv8.5大约需要4倍于v9.0的网格。即，8个Passes，3325个四面体（v9.0）；11个Passes，13300个四面体（v8.5）。结论：本处提供了非常适合体微扰的项目的例子，该项目提供了一个恰当的介质谐振体积。过去没有体微扰每个圆周具有多达24个面的实验证明了一个可以引起注意的频率误差，因此，在这里获得成功的新解算能力的角色是非常清楚的。常数项的解算精度非常杰出甚至仅使用默认设置。且大大超过HFSSv8.5的能力。第二次仿真使用15度的法线偏移解算到相同的结果并出色地收敛，仍然挫败了HFSSv8.5所需要的网格。例三：轮辐腔来源：~piller/spoke/spoke.htm描述：轮辐腔被用于离子注加速器。这个腔是“低”型。腔体是由具有球形端面的圆柱体组成。“轮辐”是一个轴线与主腔体轴线垂直的小圆柱。该圆柱在主腔体半径方向切割主腔体轴线。有一个输入/输出离子注的管子存在于凹进去的圆弧面。离子注以与主腔体同轴的方向运行。由于腔体具有对称性，利用PHC边界（理想磁边界），通常我们只分析1/8部分的谐振腔。标准：由HFSS图形界面获得的腔体几何形状仿真模型如下图所示。其中，主腔体半径21.908cm，高25.4cm。球形端面半径为64.572cm。轮辐半径3.81cm，离子注管半径1.359cm。解的法线偏移从5到30度（作为参数扫描）。解的设置为10个Passes或0.01%的delta-f。离子注端口被设置成