HFSS資料.doc

3.2.2 操作指南和應(yīng)用（Operational Guideline and Application） 完整的天線仿真分析基本步驟包括（帶*號的是必要步驟）： 1、創(chuàng)建工程及基本運行環(huán)境設(shè)定（Create project and set operating environment）：基本的包括創(chuàng)建新工程、插入新設(shè)計、修改工程和設(shè)計名、設(shè)置繪圖單位和求解類型等；*2、創(chuàng)建模型（Draw a geometric model）：通過使用各種繪圖命令，建立與實際模型對應(yīng)的仿真模型結(jié)構(gòu)，并設(shè)置求解空間和邊界條件（各種端口激勵和輻射邊界等）； 3、確定模型設(shè)計參數(shù)的變量（Assign variables to a models design parameters）：建立變量來代替模型中的位置和尺寸參數(shù)，這有利于調(diào)整模型的結(jié)構(gòu)，建立起模型各個參數(shù)之間的聯(lián)系，也是進行后期參數(shù)分析、優(yōu)化的必要前提； *4、求解設(shè)置（Specify solution settings for a design）：求解設(shè)置包括指定求解的頻率，求解的迭代步數(shù)和求解結(jié)束的條件，另外如果要考察模型隨頻率變化的特性，還需要設(shè)置相應(yīng)的掃頻項； 5、驗證設(shè)計設(shè)置（Validate a designs setup）：經(jīng)過上面的步驟，一個完整的分析模型就建立起來了，不過在分析之前我們應(yīng)該檢查模型的正確性與完整性，快捷工具可以幫助我們完成模型的檢測，并給出錯誤提示，以便我們進行修改更正； *6、運行HFSS仿真（Run an HFSS simulation）：點擊工具欄中的圖標進行仿真，仿真的時間由模型的大小、計算機性能以及求解項的設(shè)置有關(guān)，這過程中我們可以多線程工作； *7、創(chuàng)建圖表結(jié)果（Create report results）：仿真結(jié)束，我們要查看模型的各種性能參數(shù)，HFSS為我們提供了豐富的參數(shù)類別和圖標形式，可以創(chuàng)建不同的圖表來描述仿真的結(jié)果；8、參數(shù)掃描與變量優(yōu)化（Parametric sweep and optimization）：當我們要考慮不同參數(shù)變量對天線性能的影響以及需要綜合優(yōu)化天線性能時，HFSS也給我們提供了參數(shù)掃描和優(yōu)化的功能。 我們接下來看看怎樣畫一些基本圖形：1、矩形；2、圓形；3、內(nèi)接多邊形；4、橢圓；5、長方體；6、圓柱體；7、多面體；8、圓錐和圓臺；9、球體；10、圓環(huán)：輸入的第二點為外半徑或者內(nèi)半徑，第三點與第二點可以確定圓環(huán)截面的直徑；11、螺旋線：螺旋線是由線或者面沿螺旋軌跡平移獲得，首先必須畫出螺旋線截面對應(yīng)的形狀，然后指定軸向、旋轉(zhuǎn)一周上升的高度和圈數(shù)。12、平面螺旋線：下面以對稱陣子為例具體說明軟件的基本操作。設(shè)陣子總長是 ，陣子半徑是，工作頻率是260MHz， 。 一、創(chuàng)建工程及基本運行環(huán)境設(shè)定步驟1：打開HFSS，程序會給用戶創(chuàng)建一個默認工程和設(shè)計，我們可以給它起一個方便我們今后使用的名字另存；若要建立新的工程則可以選擇菜單FileNew或者點擊工具欄中的；若要在工程中插入新的設(shè)計，可以從菜單選擇ProjectInsert HFSS Design或者點擊工具鍵；此外我們還可以對設(shè)計進行復(fù)制和粘貼的操作；步驟2：從菜單HFSSSolution Type選擇求解類型（Solution Type）為Driven Model，對于不同求解類型的應(yīng)用說明可以參照HFSS幫助； 步驟3：設(shè)置單位，從菜單選擇3D ModelerUnits或者ToolsOptionsGeneral OptionsDefault Units中選擇m，如果是雙核計算機，還可以在ToolsOptionsHFSS Options的Solver標簽頁的Number of Processors中改成2，點擊確定退出。 二、創(chuàng)建模型步驟4：畫圖前應(yīng)選擇參考平面，這里我們選擇XY平面。先畫陣子1，在菜單選擇DrawCylinder或者工具欄中點擊快捷按鈕，坐標尺寸的輸入方式有兩種：方式1是用鼠標在3D Modeler窗口移動，點擊左鍵和拖動鼠標的方式確定圓柱的中心、半徑和高度。方式2是用Tab鍵在狀態(tài)欄輸入圓柱中心、半徑和高度坐標，按回車（Enter）鍵確定。這些參數(shù)也可在3D Modeler窗口中選定所繪出需要修改的目標，右鍵通過EditProperties進行修改或者建立相應(yīng)的變量（參見圖3.18）。圖3.18 參數(shù)編輯窗口幾何尺寸和位置如圓柱半徑、高度和中心坐標，均可通過設(shè)置變量并賦值來確定以便進行參數(shù)優(yōu)化。設(shè)計的所有變量及其賦值可從HFSS Design Properties中查看并修改；操作技巧：畫完圖形后，我們可以通過按住Alt鍵，或者Shift鍵，或者Alt+Shift鍵并拖動鼠標可以分別實現(xiàn)圖形的旋轉(zhuǎn)，平移和放大縮小的操作，這三個操作是最常用的操作。另外Ctrl+D可以讓我們的模型以最合適的尺寸顯示在3D模型窗口中，Alt+雙擊左鍵會將視圖角度調(diào)整為沿某坐標軸顯示；步驟5：畫陣子2。由于結(jié)構(gòu)的對稱性，可利用復(fù)制功能完成。選定陣子1，點擊右鍵Edit Duplicate Around Axis或者點擊工具欄中的，選擇旋轉(zhuǎn)軸為X，輸入旋轉(zhuǎn)角度為180度，按ok確定。 除了可以沿軸旋轉(zhuǎn)復(fù)制，HFSS還提供了平移復(fù)制和鏡像復(fù)制，可以方便的建立具有相似結(jié)構(gòu)的圖形；步驟6：設(shè)置陣子材料。按住Ctrl鍵同時選定陣子1和陣子2，點擊右鍵，選擇Assign Material，彈出Select Definition窗口，鍵入pec（理想導(dǎo)體），按確定退出。 步驟7：激勵平面設(shè)置。選擇YZ平面，畫一矩形，大小正好覆蓋兩個陣子的間隙。 步驟8：求解區(qū)域設(shè)置。天線屬于輻射問題，基于有限元的HFSS必須在有限空間內(nèi)求解才有意義，所以我們在天線周圍畫一有限大的長方體空氣腔作為天線的求解空間，并給空氣腔加上輻射邊界條件，通常輻射邊界與天線體的距離略大于四分之一個波長。在工具欄選擇Draw box，在3D modeler窗口畫出立方體空氣盒子（參見圖3.19）。圖3.19 對稱陣子的3D模型圖三、設(shè)置邊界（Boundaries） 步驟9：右鍵選定計算區(qū)域空氣盒子，選擇Assign boundaryRadiation，給邊界條件命名并點擊確定完成設(shè)置，這時在工程管理樹的Boundary節(jié)點下會新建一個Rad1的輻射邊界項。 四、設(shè)置激勵（Excitations） 步驟10：選定激勵平面，點擊右鍵選擇Assign Excitation Lumped port，點擊下一步，在Integration Line項目選擇New Line有下向上畫出積分線，點擊完成退出激勵設(shè)置。思考問題：Lumped Port和Wave Port的區(qū)別是什么？ 五、設(shè)置分析（Analysis） 步驟11：選定工程管理窗口中的Analysis節(jié)點，點擊右鍵選擇Add Solution Setup，彈出Solution Setup對話窗口，輸入工作頻率300MHz，收斂迭代最大步數(shù)（Maximum Number of Passes）10，點擊確定退出。選定工程管理窗口中的Analysis下的Setup1，點擊右鍵選擇Add Sweep（添加掃頻），選擇Sweep Type為Fast，輸入計算頻率范圍，按ok退出。當需要仿真天線在較寬頻帶特性的時候選擇Fast掃描可以獲得較短的仿真時間，而要精確的計算幾個諧振頻點上的天線特性可以選擇Discrete掃描類型。六、設(shè)置輻射場（Radiation） 步驟12：選擇工程管理窗口中的Radiation，點擊右鍵選擇Far Field Setup Infinite Sphere，彈出對話框，保持缺省值，按確定退出。這里設(shè)置的遠場坐標范圍和精度將影響最終遠場的仿真結(jié)果，一般我們習(xí)慣將Theta=0作為矩形X軸的中點，那么我們就可以將Theta的范圍設(shè)置成從-180deg到180deg。 七、檢查錯誤和分析步驟13：由主菜單選HFSSValidation Check或者點擊工具欄中圖標，則彈出確認檢查窗口，對設(shè)計模型進行有效性檢查。對于建模中的錯誤會在信息窗口提示，全部完成而沒有錯誤時，點Close結(jié)束；步驟14：由主菜單HFSSAnalyze或者點擊工具欄中圖標，對設(shè)計的模型進行求解，在這過程之中我們可以在進度窗口查看分析的進程。待求解全部完成以后，在信息窗口會出現(xiàn)提示信息。*步驟15：分析完畢且沒有錯誤提示，我們就可以看看辛苦建模的成果了。但是在創(chuàng)建圖表之前，有一點必須去注意的就是查看求解結(jié)果是否收斂。因為求解過程沒有出錯并不代表輸出結(jié)果就是正確的，有可能我們設(shè)置的求解條件不合適導(dǎo)致結(jié)果的誤差超出可接受的范圍。從菜單HFSSResultsSolution DataConvergence就可以看到求解結(jié)果是否收斂，如圖3.20。圖3.20 求解結(jié)果如果結(jié)果沒有收斂我們可以返回求解設(shè)置一步，增大Maximum Number of Passes的值，或者增大Maximum Delta S的值，然后重新求解直至求解結(jié)果完全收斂。七、顯示結(jié)果（Results） 步驟16：畫VSWR曲線。選定工程管理窗口中的Results，點擊右鍵選擇Create Report，保留缺省值，按ok確定，在Category框選擇VSWR，點擊Add Trace，點擊Done退出。生成的VSWR曲線如圖3.22所示。 圖3.22 S11隨頻率變化的曲線步驟17：畫3D輻射方向圖。選定工程管理窗口中的Results，點擊右鍵選擇Create Report Far Fileds 3D Polar Plot，按ok確定，在Solution框選擇Setup1: Sweep1，點擊Sweeps，選擇theta和phi為All Values，選擇Freq為諧振點，點擊Add Trace，點擊Done退出。生成的3D輻射方向圖如圖3.21所示。 圖3.21 對稱陣子的3D遠場方向圖步驟18：畫阻抗隨頻率的變化曲線。選定工程管理窗口中的Results，點擊右鍵選擇Create Report，保留缺省值，按ok確定，在Category框選擇Z Parameter，在Function框選擇re和im，點擊Add Trace，點擊Done退出。生成的阻抗實部和虛部隨頻率的變化曲線如圖3.23所示。對畫出的曲線我們可以右鍵Data Maker進行標注，使生成的結(jié)果更加清楚。生成的圖表會標注有默認標題和坐標說明，我們可以雙擊對其進行修改。 圖3.23 輸入阻抗隨頻率變化的曲線步驟19：畫阻抗Smith Chart。選定工程管理窗口中的Results，點擊右鍵選擇Create Report，在Display Type框選擇Smith Chart，按ok確定，保留缺省值，點擊Add Trace，點擊Done退出。生成的Smith Chart如圖3.24所示。 圖3.24 Smith Chart對于輸出的圖表結(jié)果我們可以單擊鼠標右鍵Copy to Clipboard，將圖標結(jié)果復(fù)制到剪切板中，或者選擇Export to Filed生成數(shù)據(jù)文件以便后期處理。步驟20：畫對稱陣子上的電流密度。選定兩個陣子臂，右鍵FieldsJMag_Jurf，Solution中選擇Setup1：Sweep1，Intrinsic Variables中的Freq選擇諧振頻率，點Done完成，對添加的表面電流我們還可以動態(tài)模擬，在菜單ViewAnimate或者快捷工具，在設(shè)置動態(tài)模擬對話框中選擇動態(tài)變化的參數(shù)、間隔和模擬速率。當我們選定的物體被其他結(jié)構(gòu)遮擋的時候，可以用B鍵切換過去，或者在菜單ViewActive View Visibility勾選需要顯示的部分，然后再進行選擇。在不需要坐標軸顯示的時候，我們也可以通過ViewCoordinate SystemHide來隱藏。圖3.25 對稱陣子的電流分布最后我們來介紹一下變量的設(shè)置，變量的設(shè)置是為了方便仿真結(jié)構(gòu)的調(diào)整和今后的參數(shù)優(yōu)化。我們選中一個物體，在屬性窗口的Command標簽頁中可以用變量代替數(shù)值，然后按Enter，系統(tǒng)會提示你對新增的變量設(shè)定初始值，注意輸入初始值的時候要帶上單位。當我們點擊工程樹中的設(shè)計節(jié)點時，所有的變量都會在屬性窗口顯示，我們可以在這里很方便的修改物體結(jié)構(gòu)的位置和尺寸，而不用分別選定每個對象進行修改。小結(jié)：本次課我們介紹了Ansoft公司的HFSS高頻仿真軟件的基本特性和基本操作，并結(jié)合實際例子對一個對稱陣子進行了建模和仿真。作為一個軟件，學(xué)習(xí)它最好的辦法就是經(jīng)常使用它，由于課時有限，這里介紹的都是基本的操作，對于其他的許多功能和定義，我們可以查找HFSS的幫助文件和用戶手冊。在下一節(jié)中我們介紹兩個稍微復(fù)雜的例子，學(xué)習(xí)HFSS其他一些重要功能以及一些應(yīng)用上的技巧?；仡櫍荷洗握n我們通過簡單的介紹和一個例子的介紹，已經(jīng)對Ansoft公司的高頻仿真軟件HFSS有了初步的了解，這節(jié)課我們將以兩個稍微復(fù)雜的例子來進一步的學(xué)習(xí)。例1：雙極化的縫隙耦合饋點空氣介質(zhì)微帶天線，天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示：假設(shè)：我們建立的模型不考慮金屬厚度，所有金屬體包括饋線均為pec材料。一、建立工程并設(shè)置環(huán)境：步驟1：打開HFSS，這時系統(tǒng)默認新建一個的工程（project）和設(shè)計（design），我們可以更改工程名和設(shè)計名并另存為，操作與windows文件操作一致；步驟2：從菜單ToolsOptionsGeneral OptionsDefault Units的默認長度單位中選擇mm；步驟3：從菜單HFSSSolution Type選擇Driven Modal；二、創(chuàng)建模型：步驟4：點擊，按Tab鍵分別輸入起始頂點(x,y,z)和邊長(dx,dy,dz)，在這之間不要移動鼠標，輸入完畢后按Enter建立起一個矩形；重復(fù)上述步驟建立四層金屬結(jié)構(gòu)和地板底部的饋點微帶線；步驟5：點擊，創(chuàng)建輻射體和地面之間的金屬支桿，得到的模型3D圖如圖2所示；步驟6：按住Ctrl鍵，選取所有矩形以及圓柱，右鍵選擇Assign BoundaryFinite Conductivity，在對話框中勾選Use Material，點擊右邊的按鈕在材料庫中選擇pec來逐個設(shè)置材料；圖2 3D模型步驟7：在地板面上的縫隙位置處畫出兩個矩形片，按住Ctrl鍵同時選取地板和這兩個矩形，右鍵彈出菜單EditBooleanSubtract，在Blank Parts復(fù)選框內(nèi)保留地，在Tool Parts復(fù)選框內(nèi)保留兩個小矩形，兩邊的對象可以通過中間的按鈕進行調(diào)整，最后點擊OK可以完成在地板上開縫的操作如圖3。圖3 在地板開槽后的模型三、設(shè)置激勵步驟8：選擇作圖平面分別為XZ和YZ，在金屬微帶線與地之間畫兩矩形作為激勵面，寬度與微帶線同寬。右鍵點擊該面選擇Assign ExcitationLumped Port，點擊下一步，在Terminal LineNew Line下拉框中選擇New Line。這時可以用鼠標或者坐標輸入的方法確定端口阻抗積分線的方向。完成后點擊下一步并保留缺省設(shè)置點Done退出；四、設(shè)置邊界條件步驟9：右鍵單擊建立好的空氣腔選擇Assign BoundaryRadiation，給邊界命名并點OK完成輻射邊界的設(shè)置；步驟10：除了給有限大的空氣腔周圍設(shè)置輻射邊界條件，要想得到遠場空間上的相關(guān)結(jié)果，還必須設(shè)置遠場輻射坐標的取值范圍和取值間隔。我們可以在工程管理樹打開到Radiation，右鍵選擇Insert Far Field SetupInfinite Sphere，在彈出的對話框中的Infinite Sphere標簽頁中設(shè)定方位角（Phi）和俯仰角（Theta）的取值范圍和間隔，點擊確定完成設(shè)置；五、設(shè)置求解條件步驟11：至此，天線模型已經(jīng)完整建立，接下來我們需要設(shè)置求解條件。在工程樹中找到Analysis節(jié)點，選擇Add Solution Setup，彈出對話框。在General標簽頁的Solution項輸入工作頻率，這里為2.17，單位為GHz，Maximum Number of Passes項設(shè)為15，其他不變，點確定完成。則在Analysis節(jié)點下添加一個求解設(shè)置項，默認名為Setup1。步驟12：分析天線的頻率響應(yīng)特性，還需要進行掃頻設(shè)置。在工程樹中的Setup1項點擊右鍵，選擇Add Sweep，在彈出對話框中掃描類型選擇Fast項；在Type欄選擇Linear Count，定義頻率范圍為：1.62.3GHz，共20點，點OK完成。則在Setup1節(jié)點下增加一個頻率掃描項，默認名為Sweep1。六、檢查錯誤和分析步驟13：由主菜單選HFSSValidation Check或者點擊工具欄中圖標，全部完成而沒有錯誤時，點Close結(jié)束；步驟14：由主菜單HFSSAnalyze或者點擊工具欄中圖標，對設(shè)計的模型進行分析求解。七、輸出圖標結(jié)果步驟15：我們將創(chuàng)建一個S11參數(shù)的矩形曲線圖，在工程樹中的Results項上點擊右鍵，選擇Create Report。在彈出的對話窗的Report Type列選擇Modal S Parameters，在Display Type列選擇Rectangular Plot，點OK完成，則彈出Traces對話框。選中對話窗中部的Y標簽頁，在Category列選擇S Parameter，在Quantity列，按下Ctrl鍵的同時，選擇S(Port1,Port1)、S(Port1,Port2)、S(Port2,Port1) 、S(Port2,Port2)項，在Function列選擇dB。在Sweep標簽頁，選擇Sweep Design and Project variable values，其他默認，點Add Trace，則在上方加入S11 、S12、 S21、 S22參數(shù)曲線，點Done完成。結(jié)果如圖4所示圖4 天線的模型散射參數(shù)隨頻率的變化曲線步驟17：我們再創(chuàng)建一個輻射方向圖的矩形圖。在工程樹中的Results項上點擊右鍵，選擇Create Report。在彈出的對話窗的Report Type列選擇Far Field，在Display Type列選擇Rectangular Plot，點OK完成，則彈出Traces對話框。選中對話窗中的Sweep標簽頁，Solution下拉菜單選擇Sweep1，主掃描變量為Theta，Phi分別取0deg和90deg的兩個面，F(xiàn)req選擇1.71GHz和2.17GHz，再選中對話窗中部的Y標簽頁，在Category列選擇Gain，Quantity列選擇GainX、GainY，F(xiàn)unction列選擇dB，然后點擊Add Trace添加曲線并選擇Done保存退出。輸出結(jié)果得到下面一組曲線。圖5 天線兩個正交主平面的遠場方向圖注意：對于多個端口的激勵模型，我們可以在工程樹Field Overlays節(jié)點單擊右鍵選擇Edit Sources來編輯激勵源，如圖6所示，我們可以在Scaling Factor項和Offset Phase修改激勵的大小和相位。圖6 激勵編輯窗口以上的例子有一個共同的特點，就是已經(jīng)知道天線的結(jié)構(gòu)尺寸，建立相應(yīng)的模型進行仿真，這個過程叫做分析?，F(xiàn)實設(shè)計天線時，我們一般由經(jīng)驗公式得出一組天線的尺寸參數(shù)，然后微調(diào)各個參數(shù)，對各種參數(shù)重復(fù)分析，對比結(jié)果，最后選擇一組滿足產(chǎn)品性能指標的參數(shù)進行天線的加工制作。另一方面，實際中天線的形狀，饋點形式和大小的往往受到約束，如何滿足這些約束條件設(shè)計出性能最優(yōu)的天線，也是用分析軟件設(shè)計天線時遇到的主要問題。HFSS中提供了參數(shù)優(yōu)化的功能來解決天線設(shè)計中的天線最優(yōu)化問題。我們通過一個例子來學(xué)習(xí)。例：設(shè)計一個矩形微帶天線，工作頻率為2.4GHz，采用底部饋點，優(yōu)化饋點點的位置使駐波比參數(shù)最優(yōu)。一、創(chuàng)建工程及基本運行環(huán)境設(shè)定步驟1：點擊建立新的工程和設(shè)計，將工程名改為Microstrip Antenna，設(shè)計名改為Ant1，另存。步驟2：選擇Solution Type為Driven Modal，單位長度為mm。*二、創(chuàng)建模型 步驟3：點擊矩形分別畫出地板和輻射貼片； 步驟4：點擊長方體分別畫出介質(zhì)層和空氣腔； 步驟5：點擊圓柱體在地板與貼片中間畫出饋點導(dǎo)線； 步驟6：點擊圓形在地板上畫出饋點端口； 步驟7：同時選中地板和端口，右鍵選擇EditBooleanSubtract，在彈出對話框中，確定地板在Blank Parts列，端口在Tool Parts列，勾選Clone tool objects before subtracting項，即在接地板中裁去和端口一樣大小的洞且仍保留端口。點OK鍵完成。 步驟8：按住Ctrl鍵，同時選取地板、貼片設(shè)置他們的邊界為等效pec，選取饋線設(shè)置材料為pec，基片的材料為Rogers RO4003。 三、設(shè)置激勵 步驟9：選擇端口，右鍵Assign ExcitationLumped Port，保留默認值按下一步，在積分線（Integration Line）下拉選擇New Line，方向由外導(dǎo)體指向內(nèi)導(dǎo)體，點擊完成，這時在工程樹的Excitation節(jié)點下新增一個激勵項。四、設(shè)置輻射邊界和遠場坐標 步驟10：選擇空氣腔體，右鍵Assign BoundaryRadiation，點擊OK； 步驟11：在工程管理樹的右鍵點擊Radiation節(jié)點，選擇Insert Far Field SetupInfinite Sphere，在彈出的對話框中的Infinite Sphere標簽頁中設(shè)定方位角（Phi）和俯仰角（Theta）的取值范圍和間隔，點擊確定完成設(shè)置；五、求解項和掃頻設(shè)置 步驟12：右鍵點擊工程管理樹中的Analysis節(jié)點，選擇Add Solution Setup，彈出求解設(shè)置對話框，將工作頻率選擇為2.45GHz，Maximum Number of Passes項設(shè)為15，其他保持不變，確定退出，Analysis節(jié)點下新增一個Setup1的求解設(shè)置。 步驟13：右鍵點擊 Setup1Add Sweep，選擇掃描方式為Fast，在Frequency Setup的Start設(shè)為2，Stop設(shè)為3，Step Size設(shè)為0.1GHz，點擊OK完成。六、有效性檢測和分析步驟14：點擊進行有效性檢測，在確定沒有錯誤以后，點擊開始分析，這時我們可以從菜單打開HFSSResults觀察分析過程是否收斂。若經(jīng)過最大迭代步數(shù)仍沒有收斂，我們可以中斷分析，重新對求解項進行設(shè)置。七、輸出結(jié)果步驟15：在工程樹的Result節(jié)點右鍵Create Report，選擇模型求解參數(shù)和矩形圖。這時彈出曲線設(shè)置對話框，在ContextSolution選擇Setup：Sweep1，Sweep標簽頁的Category一列選擇S Parameter