HFSS经典讲义

HFSS软件基础与应用一、关于HFSS在学习这个软件之前，我们首先对生产这个软件的公司有个大致的了解。Ansoft公司是全球最大的提供以电磁技术为核心的专业EDA厂商，成立于1984年，总部设于美国宾西法尼亚州的匹兹堡市。Ansoft公司自1997年进入中国市场后，先后在北京、上海和成都开设了办事处；并在北京理工大学、西安电子科技大学和北京航空航天大学设立三个培训中心。Ansoft公司高频软件包是一个功能非常强大的设计工具，可应用于迅猛发展的无线技术、宽带通信网络、天线系统、航空航天电子等领域，进行系统分析、电路设计、电磁仿真和物理设计。高频产品包括：AnsoftDesigner、HFSS等。AnsoftHFSS高频结构电磁场仿真软件，采用切向矢量有限元法求解任意三维无源结构的电磁场，得到特征阻抗、传播系数、辐射场、天线方向图等结果，利用周期性边界条件，可解决：(1)基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题;(2)端口特征阻抗和传输常数:(3)S参数和相应端口阻抗的归一化S参数;(4)结构的本征模或谐振解。二、HFSS软件介绍与操作这节课我们主要是学习HFSS（HighFrequencyStructureSimulator,高频结构仿真器）的操作和使用。1、启动软件软件界面菜单栏（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。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。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。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：（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: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：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：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–TranslatesthestructurealongavectorRotate–RotatestheshapearoundacoordinateaxisbyanangleMirror–MirrorstheshapearoundaspecifiedplaneDuplicateAlongLines–CreatemultiplecopiesofanobjectalongavectorAroundAxis–Createmultiplecopiesofanobjectrotatedbyafixedanglearoundthex,y,orzaxisMirror-Mirrorstheshapearoundaspecifiedplaneandcreatesaduplicate6．图形的布尔操作几种布尔操作：Unite–combinemultipleprimitivesSubtract–removepartofaprimitivefromanotherSplit–breakprimitivesintomultipleparts操作前操作后Intersect–keeponlythepartsofprimitivesthatoverlapSweep–turna2Dprimitiveintoasolidbysweeping:AlongaVector,AroundanAxis,AlongaPath操作前操作后Connect–connect2Dprimitives.UseCoverSurfacestoturntheconnectedobjectintoasolid操作前操作后Section–generate2Dcross-sectionsofa3Dobject7、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–ThestructurewillberotatedaroundthecoordinatesystemPan–ThestructurewillbetranslatedinthegraphicalareaDynamicZoom–MovingthemouseupwardswillincreasethezoomfactorwhilemovingthemousedownwardswilldecreasethezoomfactorZoomIn/Out–Inthismodearubberbandrectanglewillbedefinedbydraggingthemouse.Afterreleasingthemousebuttonthezoomfactorwillbeapplied.快捷键：ALT+Drag=RotateShift+Drag=PanALT+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。三、HFSS实例讲解以上的内容我们讲的是HFSS软件的最基本操作，下面我们以一个单极子天线的实例来学习软件的功能性。首先了解基本任务操作步骤包括：（1）画模型（Drawageometricmodel）；（2）修改项目设计参数（Modifyamodel’sdesignparameters）；（3）确定模型设计参数的变量（Assignvariablestoamodel’sdesignparameters）；(4)指定设计的解设置（Specifysolutionsettingsforadesign）；(5)验证设计设置（Validateadesign’ssetup）；(6)运行HFSS模拟（RunanHFSSsimulation）；(7)创建2D散射参数的直角坐标曲线（Createa2Dx-yplotofS-parameterresults）。1、创建工程（1）运行HFSS后，自动创建一个新工程：Project1由主菜单选File\Saveas,保存并命名danjizi.（2）插入HFSS设计由主菜单选Project\InsertHFSSDesign,则一个新的项目自动加入到工程列表中，同时会出现3D画图窗口。（3）选择求解类型从HFSS菜单选择解类型（SolutionType）为DrivenModel（4）设置单位从3DModeler菜单选择cm2、创建模型（1）绘制贴片选择绘图平面，这里的单极子贴片在YZ面上，因此我们将工作平面改为YZ面。选择“Cylinder…”命令创建带厚度的圆形贴片。输入圆心坐标（-0.02，0，3.9），按下回车，继续输入半径dx（0.04）,dy(3.8),dz(0);按下回车，会出现如下属性对话框选择Attibute标签页，将name改为patch，点击Transparent项的数值条，在弹出窗口移动滑条使其值为0.8。设置完毕后，按下Ctrl+D键，将图形显示适中。（2）绘制地板将工作平面切换到XY面绘制一个矩形：由主菜单选Draw/Rectangle；按下Tab键依次输入参数（-20，-20，0），（40，40，0），全部设好后按下回车，出现属性对话框，将Name项改为groud,点击Transparent项的数值条，使其值为0.8，设置完毕后，按下Ctrl+D键，将图形显示适中。（3）绘制馈电探针绘制圆柱体：按同样的步骤输入圆心坐标（0.04，0，0），按下回车，继续输入半径dx（0.02），dy(0)，dz(0)；按下回车，最后输入厚度dx（0），dy(0)，dz(0.15)，最后出现属性对话框，将name改为feed，点击Transparent项的数值条，在弹出窗口移动滑条使其值为0.8。设置完毕后，按下Ctrl+D键，将图形显示适中。（4）绘制端口绘制圆形：由主菜单选Draw/circle,按下Tab键切换到参数区，设置圆心坐标为（0.04，0，0），输入半径为（0.06，0，0），即半径为0.06，按下回车。定义属性：Name改为port，Transparent为0.8。在接地板中截去端口：在绘图历史树中选groud,按下Ctrl同时再选中port，有主菜单选3DModeler\Boolean\Substrate,做到以下（5）绘制空气腔由主菜单选Draw/Box,按下Tab键切换到参数区,起点坐标为（-28.2，-28.2，-8.2），三边的长度（56.4，56.4，20.3）；Name设为air,Transparent为0.8,设置完毕后，按下Ctrl+D键，将图形显示适中。3、设置变量（1）在接地板中设置变量在绘图历史树中，展开groud节点，选择CreatRectangle项，点右键选择Properties.将弹出的属性窗口中的Position项由（-20，-20，0），改为(gndstart,gndstart,0)，按下回车，在弹出的新窗口定义变量gndstart的数值为-20mm,点击OK关闭。再在原属性窗口，将Xsize,Ysize都改为gndsize,同样定义它的大小为40mm（2）将贴片设置为变量在绘图历史树中，展开feed节点，选择CreatCylinder项，点右键选择Properties.将弹出的属性窗口中的Position项由（-0.02，0，3.9），改为(patchcenter，0，patchsite)，按下回车，在弹出的新窗口定义变量patchcenter的数值为-0.02mm,定义变量patchsite的数值为3.9mm，定义贴片半径为R_p=3.8cm,点击OK关闭。再在原属性窗口，将height都定义为patchheight,同样定义它的大小为0.04mm（3）最后建立变量联系在工程历史树danjizi上点右键，选择DesignProperties,在弹出窗口的Variables标签页，将gndstart设为-gndsize/2，将patchcenter设为-patchheight/2，即建立变量联系。4、设置模型材料和边界参数（1）设置馈电点的材料在绘图历史树中选feed项，点右键选择AssignMaterial,在弹出窗口的Material标签页中选择copper项，确定。（2）设置地板和贴片为有限导体在绘图历史树中，利用Ctrl键同时选中groudplane和patch项，右键选择AssignBoundary\finiteConductivity,在弹出窗口给边界命名，取默认值。则在工程历史树中的Antenna\Boundaries节点下添加FiniteCond1项（3）设置空气腔为辐射边界条件在绘图历史树选中air项，右键选择AssignBoundary\Radiation，在弹出的窗口将辐射边界命名为air1，则在工程历史树Antenna\Boundaries下