第八章 hfss 微波仿真
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第八章 HFSS 微波仿真. 8-1 HFSS 基本介绍 一、 HFSS 发展历程 二、 HFSS 仿真原理 三、 HFSS 仿真过程 四、 HFSS 的主要功能 五、 HFSS 的应用领域 8-2 HFSS 软件系统 一、软件设计环境 二、基本操作. 8-1 HFSS 基本介绍. 一、 HFSS 发展历程. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
第八章 HFSS 微波仿真8-1 HFSS基本介绍 一、 HFSS 发展历程 二、 HFSS 仿真原理 三、 HFSS 仿真过程 四、 HFSS 的主要功能 五、 HFSS 的应用领域8-2 HFSS软件系统 一、软件设计环境 二、基本操作
8-1 HFSS 基本介绍
HFSS–High Frequency Structure Simulator （高频电磁场仿真）软件由美国 Ansoft 公司开发的世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，是目前国际上主流的三维高频电磁场仿真软件之一。 HFSS 是一种基于物理原型的EDA 设计软件。
HFSS8.0 中增加了以下主要功能：模式到节点的转换；端对端的节点模型产生、求解及后处理；可输出高精度宽带 SPICE 模型；全波 Spice （ Full-Wave Spice ）；自适应插值扫频算法；支持集总电阻、电容和电感部件。
一、 HFSS 发展历程
8-1 HFSS 基本介绍
2003 年 5 月 Ansoft 公司发布了 HFSS 的最新版本 V9 ，v9.2 是基于物理原型的 EDA 设计软件。依靠其对电磁场精确分析的性能，使您能够轻松建立产品虚拟样机。
Ansoft HFSS v9.2 最重要的新功能就是在 PC 机上能够利用 3GB 的内存空间，这极有效地拓展了 HFSS 的仿真计算能力，此外运用 HFSS v9.2 的用户自定义编程模块（ UDP ）能方便建立各种模型及元件库。同时，具备与 Ansoft Designer 、 Nexxim 动态链接的特性：通过动态参数化链接，在 RF/ 数模混合电路仿真中实现与三维电磁场的协同仿真。
8-1 HFSS 基本介绍
2005 年 8 月 Ansoft 公司在美国发布 HFSS v10 。最新版 HFSS v10 强化了与 CAD 工具和其他分析工具之间的配合。 CAD 模型有时会出现微小的段差和坐标误差，这种误差使得 HFSS 以前的版本有时无法使用该模型。 HFSS v10 新增了一种功能，即具有能够消除微小段差和坐标误差影响的功能，能够直接使用绝大多数 CAD 模型。Ansoft 将其称为“ Healing 功能”。所以即使 CAD 模型有时会出现微小的段差和坐标误差， HFSS v10 也能将其分割成最佳的微小网格后，进行电磁场分析。另一点就是： HFSS v10 与 SIwave v3 进行协作分析的示例，能够看到车身内部的印刷电路板产生的不必要辐射的活动情况。
8-1 HFSS 基本介绍
HFSS 采用的理论基础是有限元方法。有限元法是一种积分方法，其解是频域的，所以 HFSS 是由频域到时域，对于设计各种辐射器及求本征模问题很擅长。 HFSS 应用切向矢量有限元法。
二、 HFSS 仿真原理
所谓的有限元法，就是将整个区域分割成许多很小的子区域，这些子区域通常称为“单元”或“有限元”，将求解边界问题的原理应用于这些子区域中，求解每个小区域，通过选取恰当的尝试函数，使得对每一个单元的计算变得非常简单，经过对每个单元进行重复而简单的计算，再将其结果总和起来，便可以得到用整体矩阵表达的整个区域的解，这一整体矩阵又常常是稀疏矩阵，可以更进一步简化和加快求解过程。
8-1 HFSS 基本介绍三、 HFSS 仿真过程
HFSS仿真过程图
8-1 HFSS 基本介绍四、 HFSS 的主要功能
5. 电磁场与系统电路集成协同仿真设计能力。
1. 提供了一个基于三维电磁场的自动化设计流程的设计平台。
2. 集成了工程设计所必需的强大的参数化设计、优化、敏感性及公差统计仿真分析功能。
3. 新一代仿真工具赋予了更灵活的网格剖分、收敛精度及仿真分析控制等功能，从而具有更快的仿真速度和更高的设计精度。
4. 其参数化设计、强大的建模及图形功能使工程仿真设计变得十分方便。
8-1 HFSS 基本介绍
HFSS 设计的新特点1.精确2.快速3.方便易用4.工程实用—参数化扫描、优化设计、敏感性分析、公差
统计5.电磁场与系统、电路集成协同仿真设计
8-1 HFSS 基本介绍五、 HFSS 的应用领域
1. 射频和微波器件设计 对于任意三维高频微波器件，如波导、滤波器、耦合器、连接器、铁氧体器件和谐振腔等， HFSS都能提供工具实现 S 参数提取、产品调试及优化，最终达到制造要求。2. 天线、阵列天线和馈源设计 HFSS 是设计、优化和预测天线性能的有效工具。从简单的单极子天线到复杂雷达屏蔽系统及任意馈电网络 HFSS都能精确地预测其电磁性能，包括辐射向图、波瓣宽度、内部电磁场分布等。
8-1 HFSS 基本介绍
T 形波导结构内部电磁场显示 非均匀螺旋天线的模型分析
8-1 HFSS 基本介绍3. 高频 IC 设计 随着集成电路芯片进入纳米范围，工作频率增强、尺寸减小都导致片上互连结构寄生参数对芯片电路性能产生巨大影响。 MMIC 、 RFIC 和高速数字 IC 的设计要求准确表征并整合这种影响，这些都要求提取其准确的宽带电磁特性， HFSS 是唯一能自动、快速实现这一功能的软件。 4. 高速封装设计 快速上升的 IC引脚伴随着 IC芯片及封装的微型化发展趋势， IC封装中的信号传输路径对整个系统电性能的影响越来越严重，必须有效区分和协调这种高速封装影响。 HFSS提供的 S 参数和宽带 SPICE 电路模型，使 IC 、封装和 PCB 设计者能在制造和测试之前准确预测系统工作性能。
8-1 HFSS 基本介绍
高 Q螺旋电感器的设计分析 高速封装的电磁特性分析
8-1 HFSS 基本介绍
5. 高速 PCB 板和 RF PCB 板设计
由于 PCB 工作频率及速度的不断提高，致使板上信号线、过孔等结构的等效电尺寸增加，从而产生更强的耦合、辐射等电磁效应。 HFSS让 PCB 设计者明确、诊断、排除这些影响，无论是过孔、信号线，还是 PCB 板边缘或者同轴连接器等各种结构， HFSS都能确定其电磁效应，完成自动化设计、优化从而使产品达到更高性能。
8-1 HFSS 基本介绍
高速 PCB 板及背板的设计
8-2 HFSS 软件系统
HFSS 软件是由美国 Ansoft 公司开发，是三维电磁场仿真软件。它应用切向矢量有限元法，可求解任意三维射频、微波器件的电磁场分布，计算由于材料和辐射带来的损耗。可直接得到特征阻抗、传播系数、 S参数及电磁场、辐射场、天线方向图、特定吸收率等结果。广泛应用于天线、馈线、滤波器、多工器、功分器、环行器、光电器件、隔离器的设计和电磁兼容、电磁干扰，天线布局和互耦等问题的计算。 目前实验所用的 HFSS 软件为 10.0 版本，软件介
绍以此版本为准。
8-2 HFSS 软件系统一、软件设计环境
8-2 HFSS 软件系统
1. 主菜单与工具条 主菜单在软件主窗口的顶部，包括 File 、 Edit 、 P
roject等下拉菜单。 工具条在主菜单的下一行，是一些常用设置的图标。
2. 工程树
工程树包括所有打开的 HFSS 工程文件，每个工程文件一般包括几何模型、模型的边界条件、材料定义、场的求解、后处理信息等。工程树中第一个节点是工程的名称，默认名一般为 Projectn， n代表当前打开的第 n个工程。
8-2 HFSS 软件系统 导入 HFSS 设计后，其下加入 HFSSModeln节点，n代表当前加入的第 n个设计，在该节点下包括模型的所有特定数据。包括：
Boundaries ：边界条件。定义在问题区以及物体表面的边沿处的场特性，包括良导体表面、阻抗表面、辐射表面、主表面、从表面、集总元件表面等。 Excitations ： 激励源。定义某物体或表面的电磁场的源以及电荷、电流、电压等情况，包括端口、集总端口、入射端口、电压源、电流源等。
Model ：建立的模型。
8-2 HFSS 软件系统 Mesh Operation ：网格设置。定义网格的划分，即网格晶元。 Analysis ：分析。包括求解设置，定义软件如何计算求解。
Optimetrics ：优化。包括所有优化设置。 Results ：结果。包括所有后处理生成的结果报告。
Port Field Display ：显示模型的端口场分布。 Field Overlays ：显示某物体、表面的基本或衍生的场分布 情况。 Radiation ：设置近场、远场。
8-2 HFSS 软件系统
3. 绘图历史树、绘图窗 绘图历史树包括绘制的所有的几何模型，以及模型的编辑、材料定义等。 绘图历史树右侧是绘图窗，在该区绘制几何模型。
4. 属性窗 属性窗显示在工程树、绘图历史树或绘图区中选中的某一项的属性，可以进行编辑。在属性窗中可编辑的参数是不定的，其标签页的名称也不定，均由所选中的项的类型决定。
8-2 HFSS 软件系统
5. 信息窗 信息窗显示与工程创建过程相关的各种信息，例如工程设置的错误信息、分析过程的设置信息等。
6. 进程窗 进程窗在执行仿真时，监视仿真的进度，仿真的每一步都有显示。
8-2 HFSS 软件系统二、基本操作
1．创建工程 从主菜单选 File\New ，创建一个新工程 ;再选 File\
Save As ，则以此路径、名称保存该工程。工程文件以 *.hfss保存。
2．模型视图 模型视图有多种，包括移动、旋转、放大、缩小等。 移动：由主菜单选 View\Pan ，或者按下 Shift键同时点鼠标左键移动鼠标，可以移动模型。
8-2 HFSS 软件系统 旋转：由主菜单选 View\Rotate ，或者按下 Alt键的同时点鼠标左键移动鼠标，可以旋转模型。
缩放：由主菜单选 View\Zoom ，或者同时按下 Alt 、 Shift键，点左键移动鼠标可以放大、缩小模型。向上移是放大视图，向下移是缩小视图。
适中显示：同时按下 Ctrl 、 D键，可以将模型适中示。
其他操作还有 Zoom In 、 Zoom Out等。
8-2 HFSS 软件系统3．复制、粘贴 由主菜单选 Edit\Copy To Clipboard ，可将模型粘贴
到剪 贴板，再粘贴到 Word 、 PowerPoint等基于 Windows 的程序
中 , 此操作也可复制工程的分析结果图。4．各种 HFSS文件 一个 *.hfss文件包含所有与工程相关的文件。常见
的文件 及文件夹类型包括：design_name.hfssresults ：文件夹，保存设计的结果数据。project_name.hfssresults ：文件夹，保存工程的结果数据。Project_name.asol ：文件，保存工程的场数据结果。如果求解不合适，则该文件可能为空。保存在 project_name. hfssresults文件夹内。
8-2 HFSS 软件系统.pjt ： HFSS 软件 8.5 以及更早版本的工程文件。.anfp ： Ansoft 的 PCB 中性文件。
5．导出文件 由主菜单选 3D Model\Export ，选择保存路径、命名，将“保存类型”下拉列展开，选择要导出的文件类型即可。 *.sm2 ：二维模型文件，只包含 XY平面。
*.sat或 *.sm3 三维模型文件，前者为 ACIS几何固态模型文件，后者为在 ACIS2.0 版或更高版本中的 HFSS 三维模型文件。如果选择 *.sm3 ，则还要选择 ACIS SM3 的版本。 图表文件：包括 *.bmp ， *.gif ， *.jpeg ， *.tiff ，*.wrl等格式。
8-2 HFSS 软件系统 数据列表文件： *.txt 为后处理格式文件， *.csv为逗号分隔文件， *.tab 为 Tab键分隔文件， *.dat 为曲线数据文件。方法：分析出结果后，由主菜单选 Report2D\Export ，选择保存路径、命名，将 Save as type 下拉列展开，选择要导出的文件类型即可。
6．导出矩阵数据 在工程树的 Anlysis\setupn项上，点右键，选择Matrix Data ，出现 Solution Data窗，默认 Matrix Data 标签页。选择想要查看的矩阵类型，包括 S-matrix ， Y-matrix ， Z-matrix ， Gamma ， Zo等参数，点 Export 。
8-2 HFSS 软件系统
在弹出的新窗口，选择保存路径、命名，将“保存类型”下拉列展开，选择要导出的文件类型即可。包括：
*.tab ：数据列表文件。将 S矩阵的各项按顺序列出，包括数据头，以 Tab键隔开。
*.sNp ： TouchstoneS 参数文件。后缀名中的 N代表有 N 个端口。
*.nmf ：中性文件名。 *.m ： Matlab文件。 SYZ矩阵的各项按顺序列出。 *.cit ： Citifile 格式文件。
8-2 HFSS 软件系统7．导入文件 有主菜单选 3D Modeler\Import ，选择查找路径，
将“文件类型”下拉列展开，选择要导出的文件类型，选择要导入的文件名即可。
*.gds ：二维几何设计布局数据的标准文件格式。*.dxf ： AutoCAD绘图交换格式文件。*.geo ： HFSS固态模型文件。*.iges ， *.igs ：初始图形交换规格 (IGES) 的工业标准文
件。 同样，也可导入求解数据、数据列表等，方法略。 软件的其他使用说明请查看软件自身的帮助文件：
hfss.chm 。