Ansoft-HFSS-軟件上

1、天線CADAnsoft HFSS軟件的基本原理與應(yīng)用八2009.8、簡(jiǎn)介（Brief IntroductionAnsoftHFSS （全稱 High Frequency StructureSimulator, 高頻結(jié)構(gòu)仿真器）是Ansoft公司推出的基于電1 / 18 磁場(chǎng)有限元方法（FEM）的分析微波工程問(wèn)題的三維電磁仿 真軟件，可以對(duì)任意的三維模型進(jìn)行全波分析求解，先進(jìn)的 材料類型，邊界條件與求解技術(shù)，使其以無(wú)以倫比的仿真精 度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，穩(wěn)定 成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)使其成為高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選 工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航空、航天、電子、半 導(dǎo)體、

2、計(jì)算機(jī)、通信等多個(gè)領(lǐng)域，幫助工程師們高效地設(shè)計(jì) 各種高頻結(jié)構(gòu)，包括：射頻和微波部件、天線和天線陣與天 線罩，高速互連結(jié)構(gòu)、電真空器件，研究目標(biāo)特性和系統(tǒng)/ 部件的電磁兼容/電磁干擾特性，從而降低設(shè)計(jì)成本，減少 設(shè)計(jì)周期，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。Ansoft HFSS 的應(yīng)用領(lǐng)域：天線面天線：貼片天線、喇叭天線、螺旋天線波導(dǎo)：圓形/矩形波導(dǎo)、喇叭、波導(dǎo)縫隙天線線天線：偶極子天線、螺旋線天線天線陣列：有限陣列天線陣、頻率選擇表面（FSS）、雷達(dá)散射截面（RCS）微波濾波器：腔體濾波器、微帶濾波器、介質(zhì)濾波器EMC（ Electromagnetic Compatibility） /EMI2 / 18（Elect

3、romagnetic Intergerence）: 屏蔽罩、近場(chǎng)一選場(chǎng)輻射連接器：同軸連接器底板、過(guò)渡波導(dǎo)：波導(dǎo)濾波器、波導(dǎo)諧振器、波導(dǎo)連接器Silicon/GaAs :螺旋電感器、變壓器通過(guò)HFS切以獲取的信息：矩陣數(shù)據(jù)：S、Y、Z參數(shù)和VSWR（匹配）. 相關(guān)的場(chǎng)：2D/3D近場(chǎng)-遠(yuǎn)場(chǎng)圖電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電流（體/面電流）、功率、SARS射某空間的場(chǎng)求解求解類型：Full-wave （全波？）求解原理：3D有限元法（FEM）網(wǎng)格類型：等角的網(wǎng)格單元：正四面體網(wǎng)格剖分形式：自適應(yīng)網(wǎng)格（Adaptive Meshing）激勵(lì)：端口求解求解原理：2D-FEM形式：自適應(yīng)網(wǎng)格（邊界條件）HFS漱件的求解

4、原理總體來(lái)說(shuō)，HFS漱件將所要求解的微波問(wèn)題等效為計(jì)算N3 / 18端口網(wǎng)絡(luò)的S矩陣，具體步驟如下:將結(jié)構(gòu)劃分為有限元網(wǎng)格（自適應(yīng)網(wǎng)格剖分）在每一個(gè)激勵(lì)端口處計(jì)算與端口具有相同截面的傳輸線所支持的模式假設(shè)每次激勵(lì)一個(gè)模式，計(jì)算結(jié)構(gòu)全部電磁場(chǎng)模式 由得到的反射量和傳輸量計(jì)算廣義S矩陣圖1求解流程圖自適應(yīng)網(wǎng)格剖分是在誤差大的區(qū)域?qū)W(wǎng)格多次迭代細(xì) 化的求解過(guò)程，利用網(wǎng)格剖分結(jié)果來(lái)計(jì)算在求解頻率激勵(lì) 下存在于結(jié)構(gòu)部的電磁場(chǎng)。初始網(wǎng)格是基于單頻波長(zhǎng)進(jìn)行 的粗剖分，然后進(jìn)行自適應(yīng)分析，利用粗剖分對(duì)象計(jì)算的 有限元解來(lái)估計(jì)在問(wèn)題域中的哪些區(qū)域其精確解會(huì)有很大4 / 18 的誤差(收斂性判斷)，再對(duì)這些區(qū)域的

5、四面體網(wǎng)格進(jìn)行細(xì) 化(進(jìn)一步迭代)，并產(chǎn)生新的解，重新計(jì)算誤差，重復(fù)迭 代過(guò)程(求解一誤差分析(收斂性判斷)一自適應(yīng)細(xì)化網(wǎng) 格)直到滿足收斂標(biāo)準(zhǔn)或達(dá)到最大迭代步數(shù)。如果正在進(jìn) 行掃頻，則對(duì)其他頻點(diǎn)求解問(wèn)題不再進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格。圖2自適應(yīng)網(wǎng)格(總體與局部)HFSS的操作界面和菜單功能介紹：Ansoft HFSS 的界面主要包括：菜單欄(Menu bar )、 工具欄(Toolbars )、工程管理(Project Manage )窗口、 狀態(tài)欄(Status bar )、屬性窗口( Properties window )、 進(jìn)度窗口( Progress window )、信 息管理(Message

6、 Manage) 窗口和 3談型窗口(3D Modeler Window )。5 / 18狀存欄AjufL :. LIU IL rEUL*iii.MJ 靠 IeIee WLTCil,屬純窗口信息管理圖3 Ansoft HFSS 的操作界面菜單欄(Menu bar )繪圖、3D模型、HFSS工 具和幫助等下 拉式菜單組成。一員匚汜隹*窗n工具欄(Tool bar )對(duì)應(yīng)菜單中常用的各種命令，可以快速 方便的執(zhí)行各種命令。工程管理(Project Manage )窗口顯 示所以打開(kāi)的HFSSC程 的詳細(xì)信息，包括邊界、激勵(lì)、剖分操作、分析、 參數(shù)優(yōu)化、結(jié)果、端口場(chǎng)顯示、場(chǎng)覆蓋圖和輻射等。狀態(tài)欄(S

7、tatus bar )位于HFS沸面底部，顯示當(dāng)前執(zhí)行命 令的信息。屬性窗口( Properties window )顯 示在工程樹(shù)、歷史樹(shù)和 3D模型窗口中所選條目的特性或?qū)傩浴＿M(jìn)度窗口(Progress window )監(jiān)視運(yùn)行進(jìn)度，以圖像方式 表示進(jìn)度完成比例。6 / 18信息管理(Message Manage )窗口顯示工程設(shè)置的錯(cuò)誤信息 和分析進(jìn)度信息。3D模型窗口(3D Modeler Window )是創(chuàng)建幾何模型的區(qū)域, 包括模型視圖區(qū)域和歷史樹(shù)(記錄創(chuàng)建模型的 過(guò)程)。二、操作指南和應(yīng)用(Operational Guideline and Application )完整的天線

8、仿真分析基本步驟包括(帶*號(hào)的是必要步驟)：1、創(chuàng)J 建工 程與運(yùn) 行環(huán)境(Create project and set operating environment ):基本的包括創(chuàng)建新工程、插入新設(shè)計(jì)、修 改工程和設(shè)計(jì)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(guò)使 用各種繪圖命令，建立與實(shí)際模型對(duì)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(lì)和輻射邊界等)；3、確定模型設(shè)計(jì)參數(shù) 的變量(Assign variables toa model s design parameters ): 建立變量來(lái)代替模型中的位置和尺寸參數(shù)，

9、這 有利于調(diào)整模型的結(jié)構(gòu)，建立起模型 各個(gè)參數(shù)之間的聯(lián)系，也是進(jìn)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 adesign ):求解設(shè)置包括指定求解的頻率，求解的迭代步數(shù)7 / 18和求解完畢的條件，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(xiàng)；5、設(shè)計(jì)驗(yàn)證(Validate a design s setup ): 經(jīng)過(guò)上面的步驟，一個(gè)完整的分析模型就建立起來(lái)了，不過(guò)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g 可以幫助我們完成模型的檢測(cè)，并給出錯(cuò)誤提示，以便我們 進(jìn)行修改更正；*6、運(yùn)行 HFS

10、的真(Run an HFSS simulation ):點(diǎn) 擊工具欄中的融圖標(biāo)進(jìn)行仿真，仿真的時(shí)間由模型的大小、 計(jì)算機(jī)性能以與求解項(xiàng)的設(shè)置有關(guān)，這過(guò)程中我們可以多線 程工作；*7、創(chuàng)建圖表結(jié)果(Create report results ):仿 真完畢，我們要查看模型的各種性能參數(shù)，HFSS我們提供 了豐富的參數(shù)類別和圖標(biāo)形式，可以創(chuàng)建不同的圖表來(lái)描述 仿真的結(jié)果；8、參數(shù)掃描與變 量?jī)?yōu)化 (Parametric sweep and optimization ):當(dāng)我們要考慮不同參數(shù)變量對(duì)天線性能的 影響以與需要綜合優(yōu)化天線性能時(shí)，HFS她給我們提供了參 數(shù)掃描和優(yōu)化的功能。8 / 18實(shí)例

11、演示：下面以縫隙耦合貼片天線為例具體說(shuō)明軟件的基本操作。如下圖，是將要?jiǎng)?chuàng)建的天線模型的結(jié)構(gòu)圖，我們將結(jié)合 上述理論，通過(guò)詳細(xì)的操作步驟來(lái)學(xué)習(xí)利用該軟件仿真天線 的基本方法。Patch (Signal)(Dielectric) 0 16cmSlot (Plane；L :0 16cmFeed (Signal)圖4縫隙耦合貼片天線結(jié)構(gòu)圖一、創(chuàng)建工程與運(yùn)行環(huán)境步驟1 :打開(kāi)HFSS,程序會(huì)給用戶創(chuàng)建一個(gè)默認(rèn)工程和 設(shè)計(jì)，我們將工程重新命名為slotpatch ;若要建立新的工 程則可以選擇菜單FileNew或者點(diǎn)擊工具欄中的口 ；若要在 工程中插入新的設(shè)計(jì)，可以從菜單項(xiàng)選擇擇ProjectInsert

12、 HFSS Design或者點(diǎn)擊工具鍵*;此外我們還可以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn) 行復(fù)制和粘貼的操作；步驟2 :從菜單HFSSSolution Type選擇求解類型9 / 18（Solution Type ）為Driven Model ,對(duì)于不同求解類型的 應(yīng)用說(shuō)明可以參照HFS綁助；步驟3 :設(shè)置單位，從菜單項(xiàng)選擇擇ModelerUnits 或者 ToolsOptionsGeneral OptionsDefault Units中 選擇 cm,如果是雙核計(jì)算機(jī)，還可以在ToolsOptionsHFSS Options 的Solver標(biāo) 簽頁(yè)的Number of Processors 中改成2,點(diǎn)擊確 定退出。

13、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X評(píng)面。 先畫介質(zhì)板sub ,在菜單項(xiàng)選擇擇DrawBox或者工具欄中點(diǎn) 擊快捷按鈕。在狀態(tài)欄中用Tab鍵輸入起點(diǎn)坐標(biāo)：-7 , -4.5 , 0按回車鍵（Enter ）確定，再輸入相對(duì)坐標(biāo)（長(zhǎng)，寬，高） 12, 9, 0.32 確定即可在模型窗口中創(chuàng)建一個(gè)立方體。屬性窗口的使用：幾何圖形的尺寸可通過(guò)屬性窗口作出 相應(yīng)的修改，也可通過(guò)設(shè)置變量并賦值來(lái)確定，以便于進(jìn)行 參數(shù)優(yōu)化；幾何圖形的名稱，材料與特性可通過(guò)屬性窗口進(jìn) 行設(shè)置，重命名該立方體為sub,并對(duì)其賦予相對(duì)介電常數(shù) 為2.2的材料，方法 是單擊Materials toolbar 進(jìn)

14、行選擇。此 外還可以設(shè)置圖形的顏色與透明度等，使顯示效果更加直 觀。操作技巧：畫完圖形后，我們可以通過(guò)按住Alt鍵，或者 Shift鍵，或者Alt+Shift 鍵并拖動(dòng)鼠標(biāo)可以分別實(shí)現(xiàn)圖形的10 / 18 旋轉(zhuǎn)，平移和放大縮小的操作，這三個(gè)操作是最常用的操作。 另外Ctrl+D可以讓我們的模型以最適宜的尺寸顯示在3D模 型窗口中，Alt+雙擊左鍵會(huì)將視圖角度調(diào)整為沿某坐標(biāo)軸顯 示；步驟5 :創(chuàng) 建饋線feedline 。選擇DrawRectangle ,在 狀態(tài)欄中鍵入幾何尺寸：X -5, Y -0.2475, Z 0;dX 7 , dY 0.495, dZ 0 ;并在屬性窗口中重命名為fee

15、dline 。步驟6 :創(chuàng)建 地平面Ground。同樣選擇DrawRectangle , 在屬性窗口中鍵入幾何尺寸：-7 -4.5 0.16;dX 12 , dY 9, dZ 0 ;并在屬性窗口中重命名為Ground。步驟7:創(chuàng) 建縫隙slot 。同樣選擇DrawRectangle ,在狀態(tài)欄中鍵入幾何尺寸：X -0.0775, Y -0.7, Z 0.16 ;dX 0.155, dY 1.4, dZ 0 ;并在屬性窗口中重命名為slot。步驟8:完成地平面。按住ctrl鍵同時(shí)選擇已經(jīng)創(chuàng)建的圖形Ground和slot ,在右鍵菜單中選擇EditBooleanSubtract ,在彈出的Subt

16、ract 對(duì)話框 中確保 Blank parts 為 Ground , Tools parts 為 slot ,點(diǎn)確定后即可 得到帶有縫隙的地平面。注：圖形的布爾運(yùn)算（Boolean ）在創(chuàng)建模型的過(guò)程中具11 / 18有極為重要的作用，它包括相加運(yùn)算(Unit ),相減運(yùn)算(Subtract )，相交(intersect )，切斷(split), 可使三維 模型的創(chuàng)建更加方便快捷，也更加豐富多彩，詳細(xì)的使用方 法請(qǐng)參考 HFSS online help 。步驟9 :創(chuàng)建矩形輻射貼片patch。選擇DrawRectangle , 在狀態(tài)欄中鍵入幾何尺寸：X -2, Y -1.5, Z 0.32

17、 ;dX 4 , dY 3, dZ 0 ;并在屬性窗口中重命名為patch 。步驟10:激勵(lì)端口的設(shè)置。首先更改坐標(biāo)平面為YZ面， 選擇DrawRectangle ,在屬性窗口中鍵入幾何 尺寸：-5,-0.2475,0; dX 0, dY 0.495, dZ 0.16 ;命名為port 。該端口的寬度與饋線feedline 相同，上端 與地平面Ground相接觸，下端與饋線feedline 相接觸。步驟11:求解區(qū)域設(shè)置。天線屬于輻射問(wèn)題，基于有限 元的HFSS、須在有限空間求解才有意義，所以我們?cè)谔炀€周 圍畫一有限大的長(zhǎng)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

18、與天線體的距離略大 于四分之一個(gè)工作波長(zhǎng)。在工具欄選擇Draw box ,在3D modeler窗口畫出立方體空氣盒子(-7 ,-4.5 ,-2;12 9 4.32)(其材料為默認(rèn)的真空vacuum )。三、設(shè)置邊界 (Boundaries )步驟12 :選擇計(jì)算區(qū)域空氣盒子，在右鍵菜單中選擇12 / 18Assign boundaryRadiation ,給邊界條件命名并點(diǎn) 擊確定 完成設(shè)置，這時(shí)在工程管理樹(shù)的Boundary節(jié)點(diǎn)下會(huì)新建一個(gè) Radi的輻射邊界項(xiàng)。輻射邊界：一種模擬波輻射到空間的無(wú)限遠(yuǎn)處的吸收邊 界條件，是自由空間的近似。步驟13 :按住ctrl鍵選擇所創(chuàng)建的二維圖形fee

19、dline , Ground 和 Patch , 在右 鍵菜單 中選擇 Assign boundaryPerfect E （理想導(dǎo)體邊界），給邊界條件命名并 點(diǎn)擊確定完成設(shè)置，這時(shí)在工程管理樹(shù)的Boundary節(jié)點(diǎn)下會(huì) 添加默認(rèn)名稱為perfEI的理想導(dǎo)體邊界項(xiàng)。理想導(dǎo)體邊界：描述微波問(wèn)題中的理想導(dǎo)體表面，使電 場(chǎng)垂直于這些表面，即切向電場(chǎng)為零。四、設(shè)置激勵(lì)（Excitations ）步驟14 :選定激勵(lì)端口 port ,點(diǎn)擊右鍵選擇Assign ExcitationLumped port （集總 端口），保證 電阻為50歐， 點(diǎn)擊下一步，在Integration Line 項(xiàng)目選擇New L

20、ine由上而 下畫出積分線，此時(shí)鼠標(biāo)會(huì)自動(dòng)捕捉邊緣線的中點(diǎn)，并呈現(xiàn) 三角形，單擊左鍵即可確定這一點(diǎn)。完成設(shè)置后會(huì)在工程管 理樹(shù)的Excitations 節(jié)點(diǎn)下添加默認(rèn)名稱為L(zhǎng)umped portl 的 激勵(lì)端口。集總端口激勵(lì)：可設(shè)置復(fù)阻抗，積分線決定信號(hào)和傳輸 波的相位值13 / 18 五、求解設(shè)置(Analysis )步驟15 :選定工程管理窗口中的Analysis節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)擊右 鍵選擇 Add Solution Setup ,彈出 Solution Setup 對(duì)話窗口， 輸入工作頻率2.28GHz ,收斂迭代最大步數(shù)(Maximum Number of Passes ) 15,點(diǎn)擊確定退出

21、。選定工程管理窗口中的 Analysis 下的Setup1，點(diǎn)擊右鍵選擇Add Sweep (添力口掃頻)， 選擇Sweep Type為Fast ,輸入計(jì)算頻率圍(1.283.28GHZ), 按ok退出。當(dāng)需要仿真天線在較寬頻帶特性的時(shí)候選擇Fast 掃描可以獲得較短的仿真時(shí)間，而要精確的計(jì)算幾個(gè)諧振頻 點(diǎn)上的天線特性可以選擇Discrete 掃描類型。六、設(shè)置輻射場(chǎng)(Radiation )步驟16:選擇工程管理窗口中的Radiation ，點(diǎn)擊右鍵 選擇 Far Field SetupInfinite Sphere，彈出 對(duì)話框，將 Theta 的圍設(shè)置成從-180deg到180deg,按確

22、定退出。七、檢查錯(cuò)誤和分析步驟17:由主菜單項(xiàng)選擇HFSSValidation Check或者 點(diǎn)擊工具欄中蝎圖標(biāo)，則彈出確認(rèn)檢查窗口，對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn) 行有效性檢查。對(duì)于建模中的錯(cuò)誤會(huì)在信息窗口提示，全部 完成而沒(méi)有錯(cuò)誤時(shí)，點(diǎn)Close完畢；步驟18 :由主菜單HFSSAnalyze或者點(diǎn)擊工具欄中取 圖標(biāo)，對(duì)設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行求解，在這過(guò)程之中我們可以在進(jìn) 度窗口查看分析的進(jìn)程。待求解全部完成以后，在信息窗口14 / 18 會(huì)出現(xiàn)提示信息。*步驟19:分析完畢且沒(méi)有錯(cuò)誤提示，我們就可以看看 認(rèn)真仔細(xì)建模的成果了。但是在創(chuàng)建圖表之前，有一點(diǎn)必須 去注意的就是查看求解結(jié)果是否收斂。因?yàn)榍蠼膺^(guò)程沒(méi)有出

23、錯(cuò)并不代表輸出結(jié)果就是正確的，有可能我們?cè)O(shè)置的求解條 件不適宜導(dǎo)致結(jié)果的誤差超出可承受的圍。從菜單 HFSSResultsSolution DataConvergence 就可以看到求解 結(jié)果是否收斂。 S最大值：連續(xù)的兩步迭代中S參數(shù)值的差。如果兩步 迭代之間S參數(shù)的大小和相位總的變化比Max Delta S Per Pass中的值要小，則求解收斂，自適應(yīng)分析停止。如果結(jié)果沒(méi)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20:畫電壓駐波比（VSWR曲線。選定工程管理窗 口中的Results ，點(diǎn)擊右鍵選擇Create Report，保留缺 省值， 按ok確定，在Category 框選擇VSWR 點(diǎn) 擊Add Trace ,點(diǎn) 擊 Done退出。生成的VSW釉線如圖5所示。對(duì)畫出的曲線我們可以選擇右鍵菜單中的Zoom In 進(jìn)行 局部放大Fit all 進(jìn)行還原，或用Data Maker進(jìn)行標(biāo)注，使結(jié)果更加清楚15 / 18即ihflHVSWRMM ICQT3D2 00ZM3DD3圖5 VSWR隨頻率變化曲線圖步驟21 :畫