一篇文章入门高频电路三维有限元(下)

上篇中介绍了高频电路中几何，网格，电流等基本特点，下篇介绍高频电路中的S参数，边界条件和激励等内容。

电磁求解的对象是麦克斯韦方程偏微分方程，理论上会有无数通解，为了得到定解就需要给定边界条件，同时为了验证电路信号完整性，电源完整性，对于非谐振，需要给定激励和荷载，通过S参数，Q品质因子等来判断电路的质量好坏。一般电磁软件中都提供了UI方便用户将激励和边界条件加载到几何对象上。

S参数

在高频电路中，经常会听到S参数。S参数是衡量电路质量的有效方法。S参数将复杂的电路看成一个黑盒，只在用户感兴趣的端口加激励，通过不同端口的能量入射和反射情况来确定电路的好坏，简化了三维电磁场分析工作。S参数保存在SNP文件中，SNP文件是一种通用的文本格式，所有的通用电磁分析软件都支持读写。具体细节内容可百度。www.cae-sim.com提供了SNP文件查看工具，可免费下载使用。

PEC

Perfect Electronic Conductor/Condition

理想导体边界，边界条件的电场矢量垂直于物体表面。

PMC

理想的磁边界条件，这种边界条件的电场矢量和物体表面相切，磁场矢量与物体表面垂直。

ABC

Absorbing Boundary Condition

也称辐射吸收边界，系统在辐射边界处吸收了电磁波，可以把边界看成是延伸到空间无限远处。由于在高频电路中，金属一般是平行或垂直于XYZ轴（保证电磁波在边界能吸收）， 所以通常定义一个空气包围盒实体，该包围盒会把所有电路结构包含在内，同时把ABC定义在空气包围盒的面上。为了保证计算精度，ABC距离电路结构需要要有一定距离。

阻抗边界条件

Impedance用来模拟已知阻抗的电路性表面。由此衍生出分层阻抗边界条件（Layered Impedance）

激励

Lumped Port 和Wave Port是主流高频电磁软件两种常用的激励方式。

Lumped Port类似于传统的波端口，Lumped Port可以设置在物体模型内部，需要用户设定端口阻抗，直接在端口处计算S参数，设定的端口阻抗即为Lumped Port上的S参数的参考阻抗。

Wave Port 波端口

Wave Port一般都在边界和背景的交界处。外部端口需要通过传输线的方式才能将激励信号加入到结构中，而外部端口通常会定义成传输线的截面。Wave Port 支持端口平移，即将port平移后，不需要再仿真，只需进行简单后处理计算机即可。

单元选择问题

三维高频电路中最常用的是四面体单元，这是由于电路中工艺，传输性能等方面的原因，几何尽可能的保持简单，常用长方体，立方体，以及过孔圆柱体等；二次单元在性能，精度方面有很好的平衡，能满足大部分仿真需求。

后处理

前面提到了电磁分析是三维矢量单元，自由度上保存有电磁场数据，因此在后处理中可以通过云图查看场数据的分布情况。电磁场的云图显示实现和其它物理场的显示相同。在每个单元的节点上赋给电磁场值，设置最大最小值和颜色插值格式。需要注意的是，由于使用的是三维四面体单元，数据会很多，产生性能问题，通常只需要取到表面结果数据显示即可，这样可以大幅度减少数据量，并可轻松支持动画显示。

高频电路分析比如在信号完整性，电源完整性，电磁干扰等领域涉及到大量的基础专业知识，本文仅针对软件研发测试人员的入门介绍。

三维有限元是高频电路的一种分析方法，其它方法比如二维分析，矩量法，FDTD，边界元，准静态等在不同场合也有广泛应用，后续将陆续做入门介绍。