射频与微波工程实践入门-第1章-用HFSS仿真微波传输线和元件.doc

精选优质文档-----倾情为你奉上专心---专注---专业第一章 用HFSS仿真微波传输线和元件1.1 Ansoft HFSS概述1.1.1 HFSS简介Ansoft HFSS （全称High Frequency Structure Simulator, 高频结构仿真器）是Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，可以对任意的三维模型进行全波分析求解，先进的材料类型，边界条件及求解技术，使其以无以伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，已经广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种高频结构，包括：射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩，高速互连结构、电真空器件，研究目标特性和系统/部件的电磁兼容/电磁干扰特性，从而降低设计成本，减少设计周期，增强竞争力美国Ansoft公司的HFSS软件是基于电磁场有限元算法，其原理是将天线分割成若干微小单元进行求解拟合，尤其对电小天线在窄带范围内仿真效果甚佳，缺点是求解过程复杂，仿真时间较长，对电长度较大的电大天线仿真时间会更长，对宽频带天线的仿真需要将频率化分成几段进行仿真。

因此，Ansoft HFSS软件是电长度和频率的精细仿真软件，多用于闭场环境仿真相比之下，德国的CST软件是基于电磁场有限积分法，适用于电长度较大的电大天线的仿真，特别适用于宽频带天线的仿真，解算时间远小于HFSS软件，缺点是解算误差大于HFSS软件，因此，CST软件是电大天线及宽频带的粗况仿真，多用于开场环境仿真安捷伦公司的ADS电磁仿真软件是基于矩量法解算的，将远场电磁场作平均处理，适用于电磁场较均匀的电磁环境仿真由于没有严格设置辐射边界条件，适用于PCB板级及微带线的电磁仿真，对天线的远场仿真效果较差对于天线窄带仿真可将HFSS软件和CST软件两者仿真结果对比进行取舍对于天线宽带仿真可先用CST软件进行初始粗况仿真定位，再用HFSS软件进行精细解算仿真1.1.2 HFSS的应用领域天线1、面天线：贴片天线、喇叭天线、螺旋天线2、波导：圆形/矩形波导、喇叭3、线天线：偶极子天线、螺旋线天线4、天线阵列：有限阵列天线阵、频率选择表面（FSS）、光子带隙（PBG）5、雷达散射截面（RCS）微波1、滤波器：腔体滤波器、微带滤波器、介质滤波器2、EMC/EMI：屏蔽罩、近场－远场辐射3、连接器：同轴连接器、SFP/XFP、底板、过渡4、波导：波导滤波器、波导谐振器、波导连接器5、Silicon/GaSa：螺旋电感器、变压器信号完整性分析1、Package Modeling – BGA, QFP, Flip-Chip2、PCB板：功率/接地面、网格接地，底板3、Connectors – SFP/XFP, VHDM, GBX, 同轴通过HFSS可以获取的信息1、矩阵数据：S、Y、Z参数和VSWR（匹配）2、相关的场：2D/3D近场－远场图电场、磁场、电流（体/面电流）、功率、SAR辐射3、某空间内的场求解求解类型：Full-wave求解原理：3D有限元法（FEM）网格类型：等角的网格单元：正四面体网格剖分形式：自适应网格(Adaptive Meshing)4、激励：端口求解求解原理：2D-FEM形式：自适应网格（边界条件）1.2 HFSS软件的求解原理总体来说，HFSS软件将所要求解的微波问题等效为计算N端口网络的S矩阵，具体步骤如下：l 将结构划分为有限元网格（自适应网格剖分）l 在每一个激励端口处计算与端口具有相同截面的传输线所支持的模式l 假设每次激励一个模式，计算结构内全部电磁场模式l 由得到的反射量和传输量计算广义S矩阵图1.2.1 求解流程图自适应网格剖分是在误差大的区域内对网格多次迭代细化的求解过程，利用网格剖分结果来计算在求解频率激励下存在于结构内部的电磁场。

初始网格是基于单频波长进行的粗剖分，然后进行自适应分析，利用粗剖分对象计算的有限元解来估计在问题域中的哪些区域其精确解会有很大的误差（收敛性判断），再对这些区域的四面体网格进行细化（进一步迭代），并产生新的解，重新计算误差，重复迭代过程（求解—误差分析（收敛性判断）—自适应细化网格）直到满足收敛标准或达到最大迭代步数如果正在进行扫频，则对其他频点求解问题不再进一步细化网格图1.2.2 自适应网格（总体与局部）1.3 HFSS的基本操作介绍1.3.1 HFSS的操作界面和菜单功能介绍Ansoft HFSS的界面主要包括：菜单栏（Menu bar）、工具栏（Toolbars）、工程管理（Project Manage）窗口、状态栏（Status bar）、属性窗口（Properties window）、进度窗口（Progress window）、信息管理（Message Manage）窗口和3D模型窗口（3D Modeler Window）图1.3.1 Ansoft HFSS的操作界面菜单栏（Menu bar）由文件、编辑、视图、工程、绘图、3D模型、HFSS、工具和帮助等下拉式菜单组成。

工具栏（Tool bar）对应菜单中常用的各种命令，可以快速方便的执行各种命令工程管理（Project Manage）窗口显示所以打开的HFSS工程的详细信息，包括边界、激励、剖分操作、分析、参数优化、结果、端口场显示、场覆盖图和辐射等状态栏（Status bar）位于HFSS界面底部，显示当前执行命令的信息属性窗口（Properties window）显示在工程树、历史树和3D模型窗口中所选条目的特性或属性进度窗口（Progress window）监视运行进度，以图像方式表示进度完成比例信息管理（Message Manage）窗口显示工程设置的错误信息和分析进度信息3D模型窗口（3D Modeler Window）是创建几何模型的区域，包括模型视图区域和历史树（记录创建模型的过程） 1.3.2 HFSS仿真分析基本步骤1、创建工程及运行环境（Create project and set operating environment）：基本的包括创建新工程、插入新设计、修改工程和设计名、设置绘图单位和求解类型等；*2、创建模型（Draw a geometric model）：通过使用各种绘图命令，建立与实际模型对应的仿真模型结构，并设置求解空间和边界条件（各种端口激励和辐射边界等）； 3、确定模型设计参数的变量（Assign variables to a model’s design parameters）：建立变量来代替模型中的位置和尺寸参数，这有利于调整模型的结构，建立起模型各个参数之间的联系，也是进行后期参数分析、优化的必要前提；*4、求解设置（Specify solution settings for a design）：求解设置包括指定求解的频率，求解的迭代步数和求解结束的条件，另外如果要考察模型随频率变化的特性，还需要设置相应的扫频项；5、设计验证（Validate a design’s setup）：经过上面的步骤，一个完整的分析模型就建立起来了，不过在分析之前我们应该检查模型的正确性与完整性，快捷工具可以帮助我们完成模型的检测，并给出错误提示，以便我们进行修改更正；*6、运行HFSS仿真（Run an HFSS simulation）：点击工具栏中的图标进行仿真，仿真的时间由模型的大小、计算机性能以及求解项的设置有关，这过程中我们可以多线程工作；*7、创建图表结果（Create report results）：仿真结束，我们要查看模型的各种性能参数，HFSS为我们提供了丰富的参数类别和图标形式，可以创建不同的图表来描述仿真的结果；8、参数扫描与变量优化（Parametric sweep and optimization）：当我们要考虑不同参数变量对天线性能的影响以及需要综合优化天线性能时，HFSS也给我们提供了参数扫描和优化的功能。

注：带*号的是必要步骤1.3.3 HFSS的建模操作1、启动软件2、设置求解模式在菜单栏中点击HFSS，选择Solution Type.会出现下面的对话框：图1.3.2 设置求解模式（1）激励求解：用HFSS计算无源、高频结构的S参数时，可选择激励求解类型，例如微带、波导、传输线结构S矩阵解被表示为波导的入射功率及反射波功率2）激励终端求解：用HFSS计算多导体传输线端口的S参数时，可以选择激励终端求解类型S矩阵解将由终端电压和电流来描述3）本征模求解：计算结构的本征模或谐振时，可选择本征模求解类型本征模解法可算出结构的谐振频率及在这些谐振频率处对应的场，也可计算谐振腔体的无载Q值3、设置单位在菜单栏里点击3D Modeler选择Unites：图1.3.3 设置单位4、绘制图形一维的有直线、折线、曲线也可以创建由曲线方程画出所需要的图形二维的有：图1.3.4 绘制二维图形在这里也能画出由某个曲面方程所要求的面三维最基本的有：图1.3.5 绘制三维图形5、图形的变换当然，实际需要中所遇到的不止限于以上模型，我们也可以通过很多变换的手法来画出我们需要的3D图形单击菜单栏的EditArrangeMove – Translates the structure along a vectorRotate – Rotates the shape around a coordinate axis by an angleMirror – Mirrors the shape around a specified planeDuplicateAlong Lines – Create multiple copies of an object along a vectorAround Axis – Create multiple copies of an object rotated by a fixed angle around the x, y, or z axisMirror - Mirrors the shape around a specified plane and creates a duplicate6．图形的布尔操作几种布尔操作：Unite – combine multiple primitives图1.3.6 合并操作Subtract – remove part of a primitive from another图1.3.7 相减操作Split – break primitives into multiple parts 操作前 操作后图1.3.8 分裂操作Intersect– keep only the parts of primit。