CST入门11-Boundary边界条件

来源：OPERA仿真专家之路更新时间：2024-06-22 阅读：

计算有限大的问题时需要指定边界条件。边界条件在Simulation下的boundary对话框中设置。

这时模型结构将显示彩色边界框。根据边界条件设置的不同会显示不同的颜色。

可以双击窗口中的边界条件图标来选择一个边界。或用鼠标右键选择对应的设置：

边界条件在低频和高频的含义有所不同，分开说明。

低频：

Electric边界：电边界像完美电导体，电场的切向分量和磁通的法向分量都是零。电场垂直于边界，磁通平行于边界。对于所有的静磁或准静磁应用，电边界条件对应切向边界条件。对于所有静电或准静电应用，对应法向边界条件。

Magnetic边界：磁边界像完美磁导体，磁通量的切向分量和电场的法向分量为零。电场平行于边界，磁通量垂直于边界。对于所有的静磁或准静磁应用，磁边界条件对应法向边界条件。对于所有静电或准静电应用，对应切向边界条件。

Open边界：开放边界将几何模型虚拟扩展到无限远。

Open (add space lf)边界：类似于Open边界条件，只是将几何模型和实际应用的边界之间增加了额外空间，额外的空间用bounding box distance factor定义，增加的空间为bounding box的对角线长度乘以这个factor，如果在background属性中也定义了额外的space，则使用这两者的较大值。

Normal边界：法向边界强制电场、磁场、电流的切向分量在边界处为零。在边界处仅存在法向分量。对于所有静磁或准静磁应用，法向边界条件等同于磁边界条件。对于静电或准静电应用，等同于电边界条件。normal边界条件仅可用于静电和静磁稳态电流求解器。

Tangential边界：切向边界强制电场、磁场、电流的法向分量在边界处为零。对于静磁或准静磁应用，切向边界条件等同于电边界条件。对于静电或准静电应用，等同于磁边界条件。Tangential边界条件仅可用于静电和静磁静态电流求解器。

Periodic 边界:周期边界条件仅适用于静电求解器，且只能用于六面体网格。

注意：能用electric, magnetic, open边界的时候就不用normal, tangential

如果在边界处定义源会覆盖源位置处的边界条件。例如，在tangential切向边界条件处加一个电流端口会强制一个法向边界的电流场。

高频：

Electric边界：电边界像完美电导体:切向电场和法向磁通为零。

Magnetic边界：磁边界像完美磁导体，切向磁通和法向电场为零。

Open (PML) 边界:开放边界通过使用完美匹配层(PML)边界将模型虚拟扩展至无限域。电磁波可以以最小的反射通过这个边界。

Open (add space)边界:与Open (PML)相同，区别是为了远场计算会增加额外空间。对于天线仿真，建议用此边界。PIC求解器中除了让电磁波可以以最小反射通过外，PML还可以吸收额外的带电粒子。但仅适用于用CPU计算的PIC求解，不能开GPU加速。同样如果在background中定义了额外的空间，使用两者较大值。

在选择open边界后会有个open boundary的设置如下：

对话框中的参数一般不需要修改。所使用的PML公式提供了一个与材料无关的独立的吸收边界。Estimated reflection level:假设入射波垂直于单个open边界区域时的反射量级，通常1e-4的就足够了。减小该值可以提高仿真精度，但会增加内存和仿真时间。

Automatic minimum distance to structure frame的对话框用于设置增加的求解域大小，使PML层远离几何结构，有利于收敛。相关参数:Fraction of wavelength/Absolute distance combo box：前者增加的空间为（波长/ 输入的数值），波长对应的频率在At frequency栏输入或者使用求解频率设置的中值；后者为直接定义距离大小。

Periodic边界: 周期边界可定义相移仿真计算域在对应方向上周期性扩展。因此周期边界需要在某个方向上max和min位置同时使用。在属性页中设置“phase”和“scan angles”。通过定义边界条件可以仿真周期性天线之间的近场影响。但注意这样定义天线得到的是无限扩展的天线方向图，用farfield后处理中的antenna array最为准确。

Conducting Wall边界：等效定义了四周为一面有损金属lossy metal材料的墙。

Unit Cell边界：与周期边界条件非常相似。区别是定义XY平面2个方向的二维周期性而periodic只定义了一个方向上的周期。

设置中选择Fit unit cell to bounding box则模型将在其边界框处重复，如下：

如果不勾选，则用S1(x)和S2'(y)定义两个相邻单元格在两个不同坐标轴方向上的距离。这两个轴之间的角度由“grid angle”来定义。S1(x)与全局坐标系的x轴恒对齐。

当XY平面用unit cell边界时，z方向使用open边界则有floquet边界设置选项，Floquet 端口与waveguide端口类似，都能求解反射和传输系数。Floquet只有Z方向激励，而且是从Z方向的边界激励。而waveguide端口XYZ方向都可以。Waveguide端口可以用电或磁边界限制，从而手动形成具体的激励模式（假设端口激励整个空间），比如X方向为电边界，Y方向为磁边界，然后把端口放在Zmax或Zmin，这就和Floquet的基础模式等效，TE(0,0)或TM(0,0)。Floquet只支持FEM。