射频和微波工程实践入门第1章用HFSS仿真微波传输线和元件.docx

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射频和微波工程实践入门第1章用HFSS仿真微波传输线和元件

第一章用HFSS仿真微波传输线和元件

1.1AnsoftHFSS概述

1.1.1HFSS简介

AnsoftHFSS（全称HighFrequencyStructureSimulator,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，AnsoftHFSS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。

1.1.2HFSS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、PackageModeling–BGA,QFP,Flip-Chip

2、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（AdaptiveMeshing）

4、激励：

端口求解

求解原理：

2D-FEM

形式：

自适应网格（边界条件）

1.2HFSS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：

●将结构划分为有限元网格（自适应网格剖分）

●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

●假设每次激励一个模式，计算结构内全部电磁场模式

●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）

1.3HFSS的基本操作介绍

1.3.1HFSS的操作界面和菜单功能介绍

AnsoftHFSS的界面主要包括：

菜单栏（Menubar）、工具栏（Toolbars）、工程管理（ProjectManage）窗口、状态栏（Statusbar）、属性窗口（Propertieswindow）、进度窗口（Progresswindow）、信息管理（MessageManage）窗口和3D模型窗口（3DModelerWindow）。

图1.3.1AnsoftHFSS的操作界面

菜单栏（Menubar）

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（Toolbar）

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（ProjectManage）

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（Statusbar）

位于HFSS界面底部，显示当前执行命令的信息。

属性窗口（Propertieswindow）

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（Progresswindow）

监视运行进度，以图像方式表示进度完成比例。

信息管理（MessageManage）

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（3DModelerWindow）

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）。

1.3.2HFSS仿真分析基本步骤

1、创建工程及运行环境（Createprojectandsetoperatingenvironment）：

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（Drawageometricmodel）：

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（Assignvariablestoamodel’sdesignparameters）：

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（Specifysolutionsettingsforadesign）：

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（Validateadesign’ssetup）：

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（RunanHFSSsimulation）：

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（Createreportresults）：

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（Parametricsweepandoptimization）：

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

1.3.3HFSS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SolutionType.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3DModeler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Edit

Arrange

Move–Translatesthestructurealongavector

Rotate–Rotatestheshapearoundacoordinateaxisbyanangle

Mirror–Mirrorstheshapearoundaspecifiedplane

Duplicate

AlongLines–Createmultiplecopiesofanobjectalongavector

AroundAxis–Createmultiplecopiesofanobjectrotatedbyafixedanglearoundthex,y,orzaxis

Mirror-Mirrorstheshapearoundaspecifiedplaneandcreatesaduplicate

6．图形的布尔操作

几种布尔操作：

Unite–combinemultipleprimitives

图1.3.6合并操作

Subtract–removepartofaprimitivefromanother

图1.3.7相减操作

Split–breakprimitivesintomultipleparts

操作前操作后

图1.3.8分裂操作

Intersect–keeponlythepartsofprimitivesthatoverlap

图1.3.9相交操作

Sweep–turna2Dprimitiveintoasolidbysweeping:

AlongaVector,AroundanAxis,AlongaPath

操作前操作后

图1.3.10Sweep操作

Connect–connect2Dprimitives.UseCoverSurfacestoturntheconnectedobjectintoasolid

操作前操作后

图1.3.11连接操作

Section–generate2Dcross-sectionsofa3Dobject

7、视角的变换

用以下命令你在创建模型的过程中，可以随时改变视角

Rotate–Thestructurewillberotatedaroundthecoordinatesystem

Pan–Thestructurewillbetranslatedinthegraphicalarea

DynamicZoom–Movingthemouseupwardswillincreasethezoomfactorwhilemovingthemousedownwardswilldecreasethezoomfactor

ZoomIn/Out–Inthismodearubberbandrectanglewillbedefinedbydraggingthemouse.Afterreleasingthemousebuttonthezoomfactorwillbeapplied.

图1.3.12改变视图操作快捷方式

快捷键：

ALT+Drag=Rotate

Shift+Drag=Pan

ALT+Shift+Drag=DynamicZoom

另外，用鼠标在3D窗口中右点击也可以实现视角的转变。

在模型创建完毕后，我们为了方便以后的调试，可以对模型设置变量并进行优化，对它的具体操作我们会在下面的仿真实例中详细讲解。

1.4HFSS设计实例1——矩形波导的设计

1.4.1工程设置

打开HFSS，出现新的工程窗口（如图1.4.1）。

图1.4.1HFSS工程窗口

（1）设置求解类型DrivenModal（模式激励）。

在菜单中点击HFSS>SolutionType，出现SolutionType窗口，选择DrivenModal（如图1.4.2），点击OK。

图1.4.2设置求解类型窗口

（2）设置模型单位毫米

在菜单栏中点击Modeler>Units，出现SetModelUnits窗口，选择mm，点击OK（如图1.4.3）。

图1.4.3设置模型单位窗口

（3）保存工程命名为waveguide

点击工具栏中的

，将工程名字设为waveguide。

1.4.2建立矩形波导模型

（1）画长方体

点击工具栏中的

（Drawbox）画矩形波导的长方体模型，在屏幕右下角出现长方体顶点信息，输入顶点坐标如图1.4.4，按回车键；屏幕右下角出现长方体尺寸信息，输入如图1.4.5，按回车键结束画图过程。

图1.4.4长方体顶点坐标

图1.4.5长方体尺寸设置

在屏幕右侧窗口显示画出的长方体；点击工具

，将长方体全部显示在窗口中。

（2）设置长方体属性

在屏幕中间模型列表中的Box1为画出的长方体（如图1.4.6），双击Box1，出现Propoties:

Project1窗口，将Name一栏的value由Box1改为waveguide。

图1.4.6设置长方体属性

1.4.3设置边界条件

（1）选择波导的四个纵向面。

通过Edit>select>faces,将鼠标设置为选择面的状态（如图1.4.7）。

通过按钮

（旋转功能）以及ctrl键实现选择多个面，或者通过edit>select>byname（如图1.4.8），结合ctrl键选中face10、11、12、9（如图1.4.9）。

（2）将这四个面设置为理想导体边界。

可以通过点击HFSS>Boundaries>Assign>PerfectE实现，或者点击鼠标右键>AssignBoundary>PerfectE（如图1.4.10）。

图1.4.7selectfaces界面

图1.4.8selectbyname界面

图1.4.9selectface界面

图1.4.10设置PerfectE边界条件

1.4.4设置激励源waveport

（1）选中波导的一个端口面（垂直于z轴的平面）。

（2）点击HFSS>Excitations>Assign>Waveport，或者点击鼠标右键>assignexcitation>waveport（如图1.4.11）。

（3）另外一个端口面执行同样的操作。

图1.4.11设置waveport界面

1.4.5设置求解频率

（1）在菜单栏中点击HFSS>AnalysisSetup>AddSolutionSetup

（2）在求解设置窗口中，设置SolutionFrequency：

13Ghz，其它设为默认值

1.4.6计算及后处理

在菜单栏中点击HFSS>Analyzeall

（1）画场分布图

在菜单栏中点击HFSS>Fields>PlotFields>E，画出电场强度的幅度分布（如图1.4.12）。

在ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>FieldOverlays，点击鼠标右键>Animate>OK，可以演示电场强度幅度随着时间变化情况，观察理解电磁波从端口1向端口2传播的过程。

图1.4.12波导中电场强度幅度分布

（2）观察数据结果

点击HFSS>Results>SolutionData（如图1.4.13），在MatrixData项中可以查看S参数以及传播常数Gamma等参数（如图1.4.14）。

图1.4.13查看solutiondata界面

图1.4.14S参数及Gamma

1.4.7添加电抗膜片

本例以bj-100为例，height=10.160mm，width=22.860mm，采用单模传输，主模频率范围8.20~12.5Ghz，衰减频率9.84Ghz。

（1）感性膜片

如图所示，感性膜片跨接在波导窄边上。

对主模H10，其磁场线是平行于宽边的闭合曲线，感性膜片的置入将改变波导内磁场的分布规律而产生电感效应，相当于在传输线上并联一个感性电纳。

设置感性膜片的间距为16mm。

图1.4.15感性膜片结构

图1.4.16S参数幅度随频率变化的曲线

图1.4.17S参数

图1.4.18场分布图

（2）容性膜片

如图所示，容性膜片跨接在波导宽边上。

对主模H10，

，容性膜片可改变波导内的电场分布规律而产生电容效应，相当于在横截面处并接一个电容器。

设置容性膜片的间距为4mm。

图1.4.19容性膜片结构

图1.4.20S参数幅度随频率变化的曲线

图1.4.21S参数

图1.4.22场分布图

（3）谐振窗

容性膜片和感性膜片组合形成谐振窗。

谐振窗对某一固定频率产生谐振，即当工作频率等于谐振频率时，电磁波可以无反射地通过，其等效电路相当于并联谐振回路。

设置感性膜片的间距为16mm，设置容性膜片的间距为4mm。

图1.4.23谐振窗结构

图1.4.24S参数幅度随频率变化的曲线

图1.4.25S参数

图1.4.26场分布图

1.5HFSS设计实例2——E-T型波导的设计

本例以bj-100为例，height=10.160mm，width=22.860mm，采用单模传输，主模频率范围8.20~12.5Ghz，衰减频率9.84Ghz。

1.5.1初始设置

一）启动AnsoftHFSS

点击微软的开始按钮，选择程序，然后选择AnsoftHFSS11程序组，点击HFSS11，进入AnsoftHFSS。

1.设置工具选项

注意：

为了按照本例中概述的步骤，应核实一下工具选项已设置；

2.选择菜单中的tools>options>HFSSOptions

3.HFSS选项窗口：

1）点击常规（General）标签

a.建立新边界时，使用数据登记项的向导（即在boundaryoptions中的Usewizardsfordataentrywhencreatingnewboundaries）：

勾上

b.用几何形状复制边界（duplicateboundarieswithgeometry）：

勾上

2）点击ok按钮。

4.选择菜单中的工具（tools）>options>modeleroptions

5.3Dmodeleroptions：

1）点击operation标签

自动覆盖闭合的多段线（automaticallycoverclosedpolylines）：

勾上。

2）点击画图（drawing）标签

编辑新建原始结构的属性（editpropetryofnewprimitives）：

勾上。

3）点击ok按钮

二）打工一个新工程

1.在窗口，点击标准工具栏中的新建图标，或者选择菜单中的file>new.

2.或者从工程（project）菜单中选择insertHFSSdesign.

三）设置解决方案类型（setsolutiontype）

1.选择菜单中的HFSS>solutiontype

2.解决方案类型窗口：

1）选择模式驱动（drivenmodal）

2）点击ok按钮。

1.5.2建立三维模型

一）模型单位设置：

1）选择菜单项：

modeler>units

2）选择模型单位：

mm

3）点击确定

二）选择缺省材料（即模型内填充物）

用三维模型材料工具栏，选择真空

即在右上角的

三）创建顶臂１

1.建立顶臂：

　1）选择菜单项：

draw>boxdraw

2）选择起始位置（软件右下角输入，绝对坐标）：

X：

11.430Y：

-5.080Z：

-5.080回车

3）选择相对坐标：

dX：

-22.860Dy：

10.160Dz：

33.020回车

图1.5.1建立项臂

2.重命名：

从材料窗口选择属性平台；

1）名字的命名类型：

ARM

2）点击确定

3.适合观看的调整：

1）选择菜单项：

view>firall>activeviewview.或者ctrl+d键

四）创建臂2：

1.选择菜单项：

edit>selectallvisableedit或者ctrll+A

2.选择菜单项：

edit>duplicate>aroundaxisedit选择以x为轴，旋转90度，数目

3.点击确定键

4.适合观看的调整：

选择菜单项：

view>fitall>activeview或者ctrll+d

五）建立臂3：

1.选择物体框：

（1）选择物体臂1；

（2）点击确定

2.建立臂3和4；

1）edit>duplicate>aroundaxis

2）以z为轴旋转180度，总数为二个，点击确定键

六）连接各个臂：

1.连接各个臂：

1）选择菜单项：

edit>selectallvisible：

或者按ctrl+A键

2）选择菜单项：

modeler>boolean>unite

图1.5.2连接各个臂

七）建立波导端口激励

1.选择端口面：

1）选择菜单项：

edit>select>faces

2）选择顶部的面

2.设计波端口激励：

1）选择菜单项：

HFSS>EXCITATIONS>ASSIGN>waveport

2）波端口：

general名字：

p1点击next键

3）波端口：

models点击next键；点击结束键

4）以此类推，设置另