HFSS经典讲义_HFSS教程.pdf
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1、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
2、: Ansoft Designer 、HFSS 等。 Ansoft HFSS 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 ( High Frequency Structure Simulator , 高频结构仿真器) 的操作和使用。1
3、、启动软件软 件界面菜单栏( Menu bar )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( Project Manage )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( 3D Modeler Window )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( Status bar )位于 HFSS 界面底部,显 示当前执行命令的信息。属性窗口( Properties window)显 示在工程树、历史树和3D 模型窗口中所选条目的特性
4、或属 性。 进度窗口( Progress window )监视运行进度,以图像方 式表示进度完成比例。信息管理( Message Manage )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 Solution Type. 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
5、: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3D Modeler 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Edit Arrange Move Translates the structure along a
6、vector Rotate Rotates the shape around a coordinate axis by an angle Mirror Mirrors the shape around a specified plane Duplicate Along Lines Create multiple copies of an object along a vector Around Axis Create multiple copies of an object rotated by a fixed angle around the x, y, or z axis Mirror -
7、 Mirrors the shape around a specified plane and creates a duplicate 6 图形的布尔操作几种布尔操作:Unite combine multiple primitives Subtract remove part of a primitive from another Split break primitives into multiple parts 操作前操作后Intersect keep only the parts of primitives that overlap Sweep turn a 2D primitive i
8、nto a solid by sweeping: Along a Vector, Around an Axis, Along a Path 操作前操作后Connect connect 2D primitives. Use Cover Surfaces to turn the connected object into a solid 操 作前 操作后Section generate 2D cross-sections of a 3D object 7 、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 The structure will be rotated arou
9、nd the coordinate system Pan The structure will be translated in the graphical area Dynamic Zoom Moving the mouse upwards will increase the zoom factor while moving the mouse downwards will decrease the zoom factor Zoom In/Out In this mode a rubber band rectangle will be defined by dragging the mous
10、e. After releasing the mouse button the zoom factor willbe applied. 快捷键:ALT + Drag = Rotate Shift + Drag =Pan ALT + Shift + Drag = Dynamic Zoom 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
11、先了解基本任务操作步 骤包括:(1)画模型( Draw a geometric model) ; (2) 修改项目设计参数(Modify a model s design parameters ) ; (3)确定模型设计参数的变量(Assign variables to a models design parameters ) ; (4) 指定设计的解设置 (Specify solution settings for a design) ; (5) 验证设计设置 (Validate a design s setup ) ; (6) 运行 HFSS 模拟(Run an HFSS simulati
12、on ) ; (7) 创建 2D 散射参数的直角坐标曲线(Create a 2D x-y plot of S-parameter results) 。 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FileSave as, 保存 并命名 danjizi. (2) 插入 HFSS设计由主菜单选 ProjectInsert HFSS Design, 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( Solution Type )为 Driven Model (4)设置单位从 3D Mode
13、ler 菜单选择 cm 2、 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
14、 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 n
15、ame 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3D ModelerBooleanSubstrate,做
16、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
17、, 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Creat Cylinder 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 3.9
18、mm ,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Design Properties, 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Assign Mate
19、rial, 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 Assign Boundaryfinite Conductivity, 在弹出窗口给边界命名,取默 认值。则在工程历史树中的AntennaBoundaries节点下添加 Finite Cond1 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Assign BoundaryRadiation, 在 弹 出 的 窗 口 将 辐 射 边 界 命 名 为air1 ,
20、 则 在 工 程 历 史 树 AntennaBoundaries 下添加 air 项。 (4)设置端口激励选 定激励平面,点击右键选择Assign excitation/Lumped port, 点 击下一步,在Integration Line项目选择 New Line 由下向 上画出积分线,点击完成退出激励设置。5、设置求解频率 和扫描范围选定工程管理窗口中的Analysis ,点击右键选择 Add Solution Setup,弹出 Solution Setup对话窗口,输入求 解频率为 915MHz , 收敛迭代最大步数 (Maximum Number of Passes)10,点击确定
21、退出。 选 定工程管理窗口中的Analysis 下的 Setup1 ,点击右键选择Add Sweep (添加扫频),选择 扫频类型 Sweep Type 为 Fast,输入计算频率范围,按 ok 退 出。 6、设置辐射场选择工程管理窗口中的Radiation ,点击 右键选择 insert far field setup ,再选择无限大空间,进行设 置。 7、确认设置并分析由主菜单选HFSS/Validation Check, 则弹出确认检查窗口,对设计确认没有错误后,点Close 确 认,点 HFSS/Analyze 进行求解。8、显示结果画 3D 辐射方 向图。选定工程管理窗口中的Resu
22、lts,点击右键选择 Create Far Fields report /3D Polar Plot,按 ok 确定,在 Solution 框 选择 Setup1: Sweep1 ,点击 Sweeps,选择 theta 和 phi 为 All Values ,在 Category 框选择增益Gain,点击 Add Trace , 点击 Done 退出。生成的3D 辐射方向图如图:画 VSWR 曲 线。选定工程管理窗口中的Results ,点击右键选择Create Report ,保留缺省值, 按 ok 确定,在 Category 框选择 VSWR, 点 击 Add Trace , 点击 Don
23、e 退出。生成的 VSWR 曲线如图若 想改变模型的尺寸,或想使结果进一步理想化,我们就可以在 刚才设置的变量的基础上使过程简单化。方法如下:在工程 历史树 danjizi 下方点击 HFSSDesignl, 会出现变量参数在这里 修改要比在绘图历史树中修改要方便得多,这也是设置变量的 一个好处。如果要对仿真结果进行优化,在工程历史树 HFSSDesignl 上点右键, 选择Design Properties, 在弹出窗口 的 Variables 标签页,选择Optimization, 选 中 要 优 化 的 变 量 并 设 置 优 化 范 围 。 完成后,在工程口的 Analysis 下右击
24、 Optimetrics 出现下面的对话框,点击Add, , 在 Solution 选择要优化的目标,并点击 Edit Calculation, 确 定后回到原对话框,继续设定化目标,完毕后, 点击 Variable 标签页,选中要优化的变量,确定。点击 Analye 进行分析 优化。钶缴煊匿呗馑上工渝急魔爰声捞甭菠汉飧嚯嵴迟荣逛 盒簸岽妗椅娩鹨夜嗣唬俺鲑鲇纭鲳耿蔸蛐悌谘厣癌罂钝魉苘 民僭泰衫豺骀炜鲮桢榄燠韪员面浼盟暗蟀鬓爸铰歪币瘌揽吼 邦思镟浅用芯遗豕愁余说甥杯媚潼赣砥谵伯艮涮纯候杠咯摩 胳茸犰灬痉虑锿踅艋扯灯屋盹螭痘钐疽特致不枕粉你傅迨婀 跣幡薇钉焰虾时戒诞包钭障宗涞唁糠忉梢誊搌拒鎏钮龌皿
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