在仿真材料设置的过程中,我们根据仿真类型和需求可以将金属材料设置为 PEC、Lossy metal 和 Normal。如下方左图所示,在 Modeling 选项卡下点击 New/Edit 图标,在其下拉菜单中选择 New Material,弹出 New Material 对话框。在弹出的对话框中 Type 一栏下拉菜单中可以选择材料 类型,如下方右图所示。
首先 PEC 是理想导电体(Perfect electric conductor),其电导率趋于无穷大,因此 PEC 材料不 会产生趋肤损耗。当仿真一些导电性能优良且可以忽略仿真的金属损耗时,可以用 PEC 来代替有耗金属。
Lossy metal 是有耗金属,电导率值是有限的,电导率高但为有限值时推荐使用这种类型,比如铜,铝等。这类金属材料会考虑趋肤效应,趋肤深度必须远小于材料厚度,即电磁场不能穿透设为有耗金属材料的物体。如下图所示,以铜(Copper)为例,在 Type 一栏选择 Lossy Metal;在Electric conductivity 一栏设置电导率。
电磁场无法穿过设为 Lossy metal 的材料,所以当频率很低或者金属很薄时,也就是电磁波能穿透金属的情况下不能将金属材料设置为 Lossy metal,而应该设置为 Normal。
如果需要计算趋肤深度,可采用 CST 自带的宏命令,点击 Home 选项卡中的 Macros 按钮,在弹出的下拉菜单中选择 Calculate > Calculate Skin-Depth and Surface Roughness,弹出对话框如下图所示:
在 Frequency 一栏输入 0.00001GHz 即 10KHz,Conductivity 一栏输入 58000000S/m,点击OK,自动计算得到趋肤深度 Skin-Depth 为 0.66mm。因此,当材料厚度小于 0.66mm 时,10KHz 的电磁波将穿透电导率为 58000000S/m 的金属,在这种情况下需要考虑电磁波穿透的影响,所以应将材料类型设置为 Normal;再切换到 Conductivity 选项卡,在 Electric conductivity 一栏输入58000000,如下图所示:
这样设置为 Normal 的材料,将根据材料的趋肤深度,计算穿透材料的电磁能量的大小。如果将金属材料类型设置为 Normal,则需要十分精细的网格将此材料的厚度方向剖分出来,因此网格数量可能会比较巨大,所需仿真时间也更长。
需要注意的是,无论采用 Normal 还是 Lossy metal,金属材料的趋肤效应均将被仿真考虑进去。但是 Normal 是采用网格来分辨趋肤深度,而 Lossy metal 则是采用表面解析式作为近似,是一个等效模型。将材料设置为 Normal 对于趋肤深度较深时更精确,而将材料设置为 Lossy metal 则对于趋肤深度极浅时更有效。换个方式来讲,就是对于同一个金属来说,频率低时设置为 Normal 比较合理,频率高时设置为 Lossy metal 更可取。
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