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Unit Cell 和 Periodic 区别

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在CST微波工作室中,有两种边界条件可以仿真周期性结构,分别为:元胞边界(unit cell)和周期边界(periodic)。

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关于这两种边界条件的实际应用,工程师比较容易混淆,这里对二者做个详细的对比说明。这两种周期边界的具体使用条件区别如下:

• 求解器的限制:

>> 元胞边界条件 ( Unit Cell ) 只能使用频域求解器

>> 周期边界(Periodic)可以使用频域求解器(FEM)和时域求解器(FITD)

• 结构形式的限制:

>> 元胞边界 ( Unit Cell ) 可以在任意角度上呈周期性,但只能实现二维平面(XY平 面)的周期结构

>> 周期边界(Periodic)只能沿着坐标轴呈周期性,可以实现一维(沿某一坐标轴 呈周期结构)、二维(沿任意两个坐标轴组成的平面呈周期结构)、三维周期结构(在X/Y/Z三个方向上均呈周期性)

• 适用范围:

>> 元胞边界 ( Unit Cell ) 主要用于散射问题仿真(仿真结构对空间电磁波的散射,例如FSS平面) 

>> 周期边界(Periodic)解决的是辐射问题仿真(仿真波导端口周期激励下对空间的辐射,如相控阵天线) 

接下来,通过实际的仿真设计实例来进一步说明元胞边界(Unit Cell) 条件与周期边界(Periodic)条件的区别。设计实例分别仿真以下三种情况:

A:使用FEM+元胞边界(Unit Cell)条件仿真波导相控阵天线的散射

B:使用FEM+周期边界(Periodic)条件仿真波导相控阵天线的辐射方向图(任意相移)

C:使用FITD +周期边界(Periodic)条件仿真波导相控阵天线的辐射方向图(0和180度相移)

三种情况仿真相同的结构模型,该模型是一个波导相控阵天线,其一个单元结构如下如所示,单位:mm。

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A:FEM+元胞边界 ( Unit Cell )

• 使用FEM + 元胞边界 ( Unit Cell ) 条件仿真波导相控阵天线的散射

• 激励源:Floquet模(相控阵天线T/R组件不加电,外部平面波照射下,空间形成的模式)

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Floquet模:当电磁场波动方程满足周期性边界条件时,利用数学上分离变量法得到的电磁场的解,周期结构的影响反映在Floquet模中。

边界条件设置

(1) 仅Xmin、Xmax、Ymin和Ymax四个方向可以被设置成元胞边界(Unit Cell)条件,且只要设置其中一个方向(如Xmin)为Unit cell,其余三个方向(Xmax,Ymin和Ymax) 均被自动设置为Unit Cell,设置完成后主视图改为如下图所示: 

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(2) Theta和Phi设置Floquet模的入射角度;Outward 和Inward 设置Floquet模的入射方向;下面两图中显示了phase_x=60, phase_y=30,方向为Outward(左图)和Inward(右图)时Floquet模的入射情况。 

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(3) 设置相邻的两个阵元间的距离及角度,具体定义如下中图所示; 若勾选Fit unit cell to boundaries, 则以计算区域(bounding box)为周 期进行重复,如下右图所示。

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           单独模型                      S1(x)、S2(y’)及Grid angle的定义                   勾选Fit unit cell to boundaries 

 

设置频率范围及远场监视器

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仿真结果:3GHz时的RCS

 
 

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