CH2 HFSS仿真原理與使用方法

1、電磁工程設(shè)計(jì)與仿真電磁工程設(shè)計(jì)與仿真第二章第二章 HFSS仿真原理與使用方法仿真原理與使用方法主要內(nèi)容主要內(nèi)容2.2 HFSS仿真類(lèi)型與過(guò)程仿真類(lèi)型與過(guò)程2.3 HFSS使用方法與技巧使用方法與技巧2.1 HFSS仿真原理仿真原理-有限元法有限元法2.1 HFSS仿真原理仿真原理-有限元法有限元法一、微波問(wèn)題數(shù)值分析方法一、微波問(wèn)題數(shù)值分析方法1. 電磁場(chǎng)方程電磁場(chǎng)方程(1)(1)有源激勵(lì)問(wèn)題有源激勵(lì)問(wèn)題 （Driven ModelDriven Model） jJJjEkE22邊界條件 波動(dòng)方程: EjJHHjE邊界條件 Maxwell方程: (2)(2)無(wú)源本征值問(wèn)題無(wú)源本征值問(wèn)題 (Eig

2、envalue Model(Eigenvalue Model） 220Ek E邊界條件 波動(dòng)方程: HjEHjE邊界條件 Maxwell方程: (3)(3)算子表示：算子表示： ( V) ( S)LugBuq區(qū)域 邊界 L,B:微分或積分算子u:電磁場(chǎng)量E或Hg,q:域內(nèi)或邊界源量 2. 加權(quán)殘數(shù)法加權(quán)殘數(shù)法 (1)(1)場(chǎng)量場(chǎng)量u u離散化：離散化：正交完備基函數(shù) 的加權(quán)和。1iiiuau(1,2,.,)iu i 0, ,0, ijiju uij,Vu vu vdV函數(shù)通過(guò)內(nèi)積形成泛函泛函，即從矢量函數(shù)空間到標(biāo)量函數(shù)空間的映射。求函數(shù)u求系數(shù)a 連續(xù)離散 函數(shù)代數(shù)(2)(2)加權(quán)殘數(shù)法：加權(quán)

3、殘數(shù)法：。u近似解：1Niiiuau權(quán)函數(shù)=基函數(shù)，伽略金法(Galerkin)權(quán)函數(shù)內(nèi)積構(gòu)成誤差泛函：,0, 1,2,.,jjjVSRu Lu gu Bu qjN1,NijijijjVSVSiau Luu Buu gu q12, LugBuq 2. 加權(quán)殘數(shù)法加權(quán)殘數(shù)法 (3)(3)線(xiàn)性代數(shù)方程：線(xiàn)性代數(shù)方程：矩陣方程組： A ab求方程組auN越大，越接近真解，計(jì)算量越大矩量法、有限元法基于此方法求解矩量法（Method of Moment, MoM）：基于積分方程求解有限元法（Finite Element Method, FEM）：基于微分方程求解1,NijijijjVSVSiau Lu

4、u Buu gu q1NijijiaAb,1,2,.,jijijiVSjjjVSAuLuuBubugu qi jN線(xiàn)性方程組： jijAb1212 : ,., ,.,TNTNANNbb bbaa aa二、有限元法二、有限元法1. HFSS的仿真方程的仿真方程無(wú)源無(wú)源HjEHjE0rHjE 01rEjH 0rHjE 01rEjH 2001rrEE 2000010rrEkEk jHE矢量E波動(dòng)方程：HFSS仿真基礎(chǔ)問(wèn)題：兩邊同乘問(wèn)題：兩邊同乘urur，可以嗎？，可以嗎？2. HFSS的離散單元的離散單元基函數(shù)：基函數(shù)：全域基函數(shù)，滿(mǎn)足邊界，較難。 分域基函數(shù)，全域分成很多離散單元。 空間離散化(m

5、any smaller subsections)。離散單元：離散單元：四面體（tetrahedra）四面體是較好選擇：其他選擇：矩形塊、六面體能模擬任意形狀的幾何體數(shù)值解的精度高網(wǎng)格網(wǎng)格(Mesh)(Mesh)：節(jié)點(diǎn)總數(shù)N網(wǎng)格越細(xì)，N越大未知量越多，計(jì)算量越大計(jì)算精度越高2. HFSS的離散單元的離散單元棱邊元：棱邊元：矢量有限元，四面體內(nèi)場(chǎng)內(nèi)場(chǎng)的插值方法。61iiiEaW:iW棱邊i的矢量基函數(shù):ia棱邊i的未知系數(shù)zero order basis function: first order basis function: makes use of nodal values at edges

6、 only. 每個(gè)四面體6個(gè)未知量Second order basis function: 20 unknowns per tetrahedron. 45 unknowns per tetrahedron. nodal values at vertices, on edges and on faces. 3. HFSS的場(chǎng)求解的場(chǎng)求解2010rrEkE1NiiiEaWjW權(quán)函數(shù)作內(nèi)積2010, 1,2,.,jrjVrWEkWE dVjN散度定理201( . .)jrjVrWEkWE dVBC d代入E式2011( . .)NijirjiVSiraWWkW W dBC dS jiA1, 1,2,

7、.,Nijijia AbjN: : 1 : 1 ANN MatrixaNVectorbNVector線(xiàn)性方程組矩陣方程組AabA：稀疏矩陣注：四面體元內(nèi)ai不為零jb4. HFSS的方程組求解的方程組求解Aab直接法：直接法：矩陣A求逆，通常采用LU分解法，A=LU 一般計(jì)算復(fù)雜度： HFSS稀疏矩陣算法：3()O N1.3()O N1.1()O N迭代法：迭代法：給定初值a0: 迭代過(guò)程（CG）： 收斂判斷： 一般計(jì)算復(fù)雜度： HFSS稀疏矩陣算法：1, nnnnaarbAa 00rbAa / nrbErr2()O NHFSSHFSS自適應(yīng)迭代法：自適應(yīng)迭代法：2.2 HFSS HFSS仿真

8、類(lèi)型與過(guò)程仿真類(lèi)型與過(guò)程The computational volume and its parts:Solution space：consists of all the regions and objects within which a user wants to determine the EM fields, within which HFSS explicitly calculates all EM fields.Outside boundaries: the outer-most surfaces, or faces.Any field quantities that are ou

9、tside this volume can be derived from the fields within it.注意：注意：HFSS的背景通常 默認(rèn)為理想導(dǎo)體2.2 HFSS HFSS仿真類(lèi)型與過(guò)程仿真類(lèi)型與過(guò)程The four solution types：Using HFSS, select type of solution needs to calculate：1. Driven Modal: S-matrix of incident and reflected powers of WG modes.2. Driven Terminal: S-matrix of terminal

10、voltages and currents.3. Eigen-mode: resonant frequency and fields at a particular resonance.4. Transient: Calculating problems in the time domain.Coupled Cavity resonator analyzed usingEigenmode solverCoplanar Microstrip structure analyzedusing Driven ModalCoplanar Microstrip structure analyzedusin

11、g Driven Terminal2.2 HFSS HFSS仿真類(lèi)型與過(guò)程仿真類(lèi)型與過(guò)程The six general steps in an HFSS simulation：2.3 HFSS HFSS使用方法與技巧使用方法與技巧一、一、HFSS 工作環(huán)境（工作環(huán)境（Desktop） 一、一、HFSS 工作環(huán)境工作環(huán)境 一、一、HFSS 工作環(huán)境工作環(huán)境 一、一、HFSS 工作環(huán)境工作環(huán)境 一、一、HFSS 工作環(huán)境工作環(huán)境 HFSS仿真過(guò)程：仿真過(guò)程： 1.運(yùn)行HFSS，建立項(xiàng)目（Project, #.hfss）2.插入一個(gè)設(shè)計(jì)(Design)3.選擇求解器類(lèi)型(Solution Type)

12、4.設(shè)置合適的單位(Units)5.建立模型（Model）6.設(shè)置邊界條件（Bounderies）7.設(shè)置激勵(lì)（Excitions）8.設(shè)置求解頻率等（Solution Setup）9.檢查當(dāng)前工程的有效性（Validation check）10.求解當(dāng)前工程（Analyze all）11.創(chuàng)建結(jié)果報(bào)告（Results）六大步驟四個(gè)準(zhǔn)備二、二、HFSS項(xiàng)目與設(shè)計(jì)項(xiàng)目與設(shè)計(jì)1.項(xiàng)目操作File New, Open, Save, Save asEdit Delete, Rename創(chuàng)建：Waveguide.hfss2.插入設(shè)計(jì)Project Insert HFSS design創(chuàng)建：WG3.求解類(lèi)

13、型HFSS Solution Type4.設(shè)置單位Modeler Units三、三、HFSS 建模（建模（Model）1.建立矩形體（波導(dǎo)）Position:(0,0,0); Dx=50mm; Dy=22.86mm, Dz=10.16mm輸入坐標(biāo)方式：鼠標(biāo)點(diǎn)擊輸入，再修改特性：2.修改實(shí)體特性：名稱(chēng)，透明度3.修改可見(jiàn)性： View-Hide,Show,Active view5.線(xiàn)、面、體的選擇： Edit-Select/Deselect，V/E/F/O/M6.定位功能： 網(wǎng)格、頂點(diǎn)、邊中點(diǎn)、面中點(diǎn)4.旋轉(zhuǎn)、縮放：Rotate，Zoom三、三、HFSS 激勵(lì)設(shè)置激勵(lì)設(shè)置激勵(lì)設(shè)置在端口（Port

14、）處；HFSS有8中激勵(lì)形式；選擇合適的激勵(lì)；常用波端口激勵(lì)。三、三、HFSS 激勵(lì)設(shè)置激勵(lì)設(shè)置波端口波端口（Wave Port）：外部端口通過(guò)傳輸線(xiàn)方式對(duì)微波結(jié)構(gòu)施加激勵(lì)。HFSSHFSS處理處理：1.假設(shè)連接與端口相同形狀與材料的半無(wú)限長(zhǎng)波導(dǎo)。2.每個(gè)波端口的二維場(chǎng)解為三維問(wèn)題提供端口上的邊界條件。2010rrEkE( , , , )Re( , )j tzE x y z tE x y e201( , )( , )0rrE x ykE x y二維端口場(chǎng)采用2D有限元方法求解。三、三、HFSS 激勵(lì)設(shè)置激勵(lì)設(shè)置波端口設(shè)置技巧：波端口設(shè)置技巧：三、三、HFSS 激勵(lì)設(shè)置激勵(lì)設(shè)置波端口設(shè)置技巧：波

15、端口設(shè)置技巧：1.選擇端口面-右鍵-Assign Excitation-Wave Port;2.端口名：Port13.模式：模式數(shù)，積分線(xiàn)，特性阻抗Z0，極化4.端口處理：歸一化，參考面移動(dòng)（Deembeded）四、四、HFSS 邊界條件邊界條件激勵(lì)設(shè)置在端口（Port）處；HFSS有8中激勵(lì)形式；選擇合適的激勵(lì)；常用波端口激勵(lì)。六、六、HFSS 材料設(shè)置材料設(shè)置材料參數(shù)：材料參數(shù)：1.相對(duì)磁導(dǎo)率：2.相對(duì)介電常數(shù)：3.導(dǎo)電率：4.介電常數(shù)損耗角正切：5.磁損耗角正切：6.各向異性材料： 1jj 1jjtantanm , 六、六、HFSS 材料設(shè)置材料設(shè)置使用材料庫(kù)：使用材料庫(kù)：ToolsEd

16、it Configured LibrariesMaterials 六、六、HFSS 材料設(shè)置材料設(shè)置材料設(shè)置：材料設(shè)置：方式1：Select Object-Right Click-Assign Materials 方式2：Select object-Edit-Properties七、七、HFSS 求解設(shè)置求解設(shè)置設(shè)置內(nèi)容：設(shè)置內(nèi)容：1.基函數(shù)設(shè)置；2.矩陣方程求解器設(shè)置；3.自適應(yīng)求解設(shè)置；4.頻率掃描設(shè)置； 七、七、HFSS 求解設(shè)置求解設(shè)置自適應(yīng)求解設(shè)置：自適應(yīng)求解設(shè)置：七、七、HFSS 求解設(shè)置求解設(shè)置矩陣方程求解器和基函數(shù)設(shè)置：矩陣方程求解器和基函數(shù)設(shè)置：迭代求解，不收斂時(shí)直接法；迭代

17、精度。 基函數(shù)選擇 迭代參數(shù) 七、七、HFSS 求解設(shè)置求解設(shè)置頻率掃描設(shè)置：頻率掃描設(shè)置：快速掃描離散掃描內(nèi)插掃描八、八、HFSS 有效性檢查和求解有效性檢查和求解九、九、HFSS 結(jié)果報(bào)告結(jié)果報(bào)告1.1.端口場(chǎng)顯示：端口場(chǎng)顯示：口徑場(chǎng)符合波導(dǎo)TE10模分布規(guī)律九、九、HFSS 結(jié)果報(bào)告結(jié)果報(bào)告2.2.內(nèi)部場(chǎng)顯示：內(nèi)部場(chǎng)顯示：選擇波導(dǎo)上表面-HFSS-Fields九、九、HFSS 結(jié)果報(bào)告結(jié)果報(bào)告2.2.內(nèi)部場(chǎng)顯示：內(nèi)部場(chǎng)顯示：場(chǎng)分布符合波導(dǎo)TE10模分布規(guī)律。九、九、HFSS 結(jié)果報(bào)告結(jié)果報(bào)告3.3.動(dòng)畫(huà)顯示：動(dòng)畫(huà)顯示：View-Animate九、九、HFSS 結(jié)果報(bào)告結(jié)果報(bào)告4.S4.S

18、參數(shù)結(jié)果：參數(shù)結(jié)果：九、九、HFSS 結(jié)果報(bào)告結(jié)果報(bào)告4.S4.S參數(shù)結(jié)果：參數(shù)結(jié)果：達(dá)到預(yù)期結(jié)果：S21-1; S11-0十、拓展：波導(dǎo)不連續(xù)性仿真十、拓展：波導(dǎo)不連續(xù)性仿真對(duì)稱(chēng)膜片尺寸：厚度0-1mm寬度1-8mm高度10.16mm1.添加膜片2.Subtract3.仿真:8-12GHz 場(chǎng)分布；S參數(shù)十、拓展：波導(dǎo)不連續(xù)性仿真十、拓展：波導(dǎo)不連續(xù)性仿真8.008.509.009.5010.0010.5011.0011.5012.00Freq GHz0.000.200.400.600.801.00mag(S(Port1,Port1)WGDiscontinueXY Plot 1ANSOFTC

19、urve Infomag(S(Port1,Port1)Setup1 : Sw eepWidth=1mmmag(S(Port1,Port1)Setup1 : Sw eepWidth=2mmmag(S(Port1,Port1)Setup1 : Sw eepWidth=3mmmag(S(Port1,Port1)Setup1 : Sw eepWidth=4mmmag(S(Port1,Port1)Setup1 : Sw eepWidth=5mmmag(S(Port1,Port1)Setup1 : Sw eepWidth=6mmmag(S(Port1,Port1)Setup1 : Sw eepWidth=

20、7mmmag(S(Port1,Port1)Setup1 : Sw eepWidth=8mm8.008.509.009.5010.0010.5011.0011.5012.00Freq GHz0.000.200.400.600.801.00mag(S(Port1,Port2)WGDiscontinueXY Plot 2ANSOFTCurve Infomag(S(Port1,Port2)Setup1 : Sw eepWidth=1mmmag(S(Port1,Port2)Setup1 : Sw eepWidth=2mmmag(S(Port1,Port2)Setup1 : Sw eepWidth=3mmmag(S(Port1,Port2)Setup1 : Sw eepWidth=4mmmag(S(Port1,Port2)Setup1 : Sw eepWidth=5mmmag(S(Port1,Port2)Setup1 : Sw eepWidth=6mmmag(S(Port1,Port2)Setup1 : Sw eepWidth=7mmmag(S(Port1,Port2)Setup1 : Sw eepWidth=8mm十、拓展：波導(dǎo)不連續(xù)性仿真十、拓展：波導(dǎo)不連續(xù)性仿真Export DataExport Data：HFSS-Result