基于HFSS软件的微波设计研究

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1、题目：基于HFSS软件的微波设计研究目 录第一章、 前 言8第二章、 原理92.1相关软件介绍92.1.1 几个相关类型软件的简介：101. ADS(Advanced Design System )102. Microwave studio113. Microwave Office114. ANSYS125. Serenade和Symphony126. Ensemble122.2本软件的特点142.2.1 软件简介142.2.2软件功能142.2.3 该软件的优势162.3本软件使用必须具备的理论知识点172.4使用本软件的关键、难点问题17第三章、原理及基础理论203.1 微波谐振器203.

2、1.1 谐振器的基本参数203.2 规则的金属波导223.2.1 矩形波导的传输特性233.3 同轴线243.3.1 传输特性253.4 微带线253.4.1 微带线的准TEM特性25第四章、仿真实例274.1空腔谐振体的仿真研究274.2矩形波导的仿真研究294.3同轴线的仿真研究31第五章、应用前景32附录一、 Ansoft HFSS 的 本 征 模 问 题33第一章 创建本征模项目（Creating the Eigenmode Project）331.1 进入目录管理器331.2 创建项目目录341.3创建项目351.3.1 进入项目目录351.3.2 增添新项目351.3.3存储项目注

3、释35第二章 运行Ansoft HFSS （Run Ansoft HFSS）362.1 打开新项目并运行模拟器362.2 执行命令窗口372.2.1命令区372.2.2显示区372.3 画图和求解的一般步骤37第三章 画几何模型（Drawing the Geometric Model）383.1 选择求解器383.1.1激励解（Driven Solution）383.1.2本征模解（Eigenmode solution）393.2 三维建模393.3 侧窗口413.3.1 Snaps命令423.4 定义画图区域：433.4.1 绝对坐标和相对坐标433.4.2 网格433.5 创建几何模型43

4、第四章 设置问题模型（Setting Up the Problem）444.1设置材料444.1.1 打开材料管理器：454.1.2设置材料：454.2 设置边界464.2.1 打开边界管理器464.2.2 定义有限导体边界47第五章 生成解（Generating A Solution）475.1 指定解的选项475.2 生成解485.3 查看收敛情况495.4 查看结果505.4.1品质因数和谐振频率50第六章 分析解（Analyzing the Solution）506.1 后处理器506.2进入三维后处理器516.2.1 画模式X的电场图516.3 画矢量图：556.4生成动态矢量图57

5、附录二、 Ansoft HFSS 的 优 化 问 题60第一章 创建优化项目（Creating the Optimetrics Project）601.1进入目录管理器601.2 创建Nominal 项目601.2.1 进入项目目录601.2.2增添新项目601.2.3存储项目注释61第二章 运行Ansoft 优化 （Run Ansoft Optimetrics）622.1 打开新项目并运行模拟器622.2 执行命令窗口622.3一般过程63第三章 建立Nominal问题（Setup the Nominal Problem）643.1 选择Nominal问题643.2建立Nominal项目64

6、3.3选择求解类型653.4画模型653.4.1 几何结构：663.4.2画三个盒子：673.4.2.1 画第一个波导673.4.2.2 画1/4波长变换器683.4.2.3画第三个波导693.4.2.4编辑宏模型703.4.2.5 退出模拟器723.5 设置材料723.5.1 使用材料编辑器733.5.2 给波导1和2设置材料733.5.3 给波导3创建和设置一用户自定义材料743.5.3.1创建新材料743.5.3.2 给波导3设置Material80753.6 设置端口和边界763.6.1使用三维边界管理器763.6.2 定义端口763.6.2.1定义端口Port1763.6.2.2定义

7、端口Port2773.6.3 定义对称面773.6.3.1 定义Perfect H对称面783.6.3.2定义Perfect E对称面79第四章 设置优化问题（SetUp the Optimization Problem）794.1确定求解参数794.2 选择输出参数814.3检查变量824.4创建Cost函数824.5设置优化分析834.5.1 定义优化分析834.6添加Cost函数864.7生成优化解864.8分析结果874.8.1在执行命令菜单中查看表格894.8.2查看已求解的项目89第五章 设置参数问题（Setup the Parametric Problem）905.1设置参数分析

8、905.1.1选择单元915.1.2确定扫描值915.1.3 退出参数表格935.2 生成参数解935.3 分析结果935.4 退出后处理器：96附录三、Ansoft HFSS的高级培训练习（中文）971. 前言介绍972.画模型973.设置材料984.设置边界和来源984.1定义端口984.2 边界条件995 设置解决方案1016、Solve1027.Post Process / Matrix Data1038.Post Process / Fields1038.1 Linear polarization（线性极化）1038.2用户定义表面综合信息1058.3椭圆的偏极化1068.3.1椭圆

9、偏极化的产生1068.3.2在切面产生一个矢量图1068.3.3方向性和增益1078.3.4轴比1098.3.5极化比1098.4计算器112附录四、Ansoft HFSS Advanced Training Exercise（英文）115Antenna Post Processing1151.Introduction1152. Draw the model1163.Setup Materials1164.Setup Boundaries and Sources1164.1Port Definition1164.2 Boundary Conditions1175. Setup Solution

10、1186. Solve1207. Post Process / Matrix Data1218. Post Process / Fields1218.1 Linear polarization1218.2 Integration over a user-defined surface1248.3Elliptical polarization1258.3.1 Create elliptical polarization1268.3.2Create a vector plot on a cut plane1268.3.3Directivity and Gain1268.3.4Axial ratio

11、1288.3.5Polarization ratio1298.4 Calculator132参考书目：134第一章、 前 言随着社会的不断发展，在实际通信中传输信号所用到的频率越来越高。现在，已有相当的通信技术频率都用到了微波阶段。所以研究微波传输、结构等方面的问题已成为今天的热门课题。在实际的微波系统中，利用各种形式的传输线(如波导、同轴线、微带线)传输电磁能量时需要具有各种功能的无源微波部件。例如，在印制高速电路板或者高频率电路甚至微波电路板时就不能仅仅考虑到线路的走线问题，还要考虑电路板的层次问题和所印制的电路之间的电磁干扰，以及信号的完整性等等一系列问题。这时候就不能把电路（导线）看作

12、理想的导线了，就必须考虑到其阻抗和干扰等问题。所以这就要涉及到微带线、传输线问题，以实现系统的匹配。随着微波单片集成电路(MMIC)和小型混合式微波集成电路(MHMIC)的问世，微波电路元件通常是由分布参数或半分布参数的微带线所构成。例如，各种形式的平面螺旋电感器、变压器；交叉指电容器；平板电容器。另外，为提高集成度，要求结构紧凑及适应走线方向，在微波集成电路中不可避免地存在许多不连续区和线间耦合。为了分析这些微波元件和不连续区或由这些微波元件和不连续区组成的无源微波系统的电特性，现在均采用电磁场数值计算的方法，即利用计算机进行电磁仿真。它不但可以高度精确地给出各部件端口处的各种性能参数，而且

13、可以直观地用彩色显示部件内部空间和各横截面上电磁场的强度分布，甚至场随时间变化的动画形式的画面。无源微波元件和系统的电磁仿真软件已有许多相继问世，但各软件的侧重点不同，分析方法也不一样，其中“ HFSS”(High Frequency Structure Simulator)高频结构仿真器就是其中的一种。“HFSS”采用有限元方法，可用电脑对任意形状的三维无源结构进行电磁场仿真。课题“基于HFSS软件的微波设计研究”就是用HFSS软件设计仿真高频甚至微波阶段结构的。基于该软件在这一频率阶段的强大优势，来研究高频结构的设计仿真问题。本课题以空腔谐振体模型来计算其端口阻抗，空腔Q值，谐振频率。仿真

14、在谐振情况下，电场、磁场以及电场、磁场的生动逼真的动态矢量图。同时，该软件所计算的结果是否和理论结果一致呢？本课题也将做出比较。另外，对于波导等参数的优化问题本文也涉及到了。对于生成的这些参数进行优化，并把优化后的结果以图形的方式直观形象的表示出来，从图中可以很直观的看出一个参变量随着另一个参变量变化而改变的规律等。所有这些情况本课题都将以实例的形式表现出来。第二章、 原理2.1相关软件介绍目前，国际上主流的三维高频电磁场仿真软件有德国CST公司的MicroWave Studio（微波工作室）、美国Ansoft公司的HFSS（高频电磁场仿真），而诸如Zeland等软件则最多只能算作2.5维的。

15、就目前发行的版本而言， CST的MWS的前后处理界面及操作感比HFSS好很多，然而Ansoft也意识到了自己的缺点，在刚刚推出的新版本HFSS（定名为Ansoft Designer）中，界面及操作都得到了极大的改善，完全可以和CST相比；在性能方面，两个软件各有所长。在速度和计算的精度方面CST和ANSOFT成绩相差不多。值得注意的是，MWS采用的理论基础是FDTD（有限时域差分方法），所以MWS的计算是由时域得到频域解，对于诸如滤波器，耦合器等主要关心带内参数的问题设计就非常适合；而HFSS采用的理论基础是有限元方法(FEM)，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

16、计各种辐射器及求本征模问题很擅长。当然，并不是说两个软件在对方的领域就一无是处，仍然有一定的特长。另外，在高频微波阶段的电磁场仿真方面也应当提及另一个软件： ANSYS 。该软件也涉及到电磁场的分析，在这一部分，它擅长的是高频电磁场分析（应用例如：微波射频设计、辐射散射分析、电磁兼容电磁场干扰仿真等）。而相对于高频微波阶段的射频、无线通信、封装及光电子设计的任意形状三维电磁场仿真方面不如HFSS更专业、更理想。还有， ANSYS软件的强势部分也并不在电磁场仿真方面，而是结构静力/动力分析、热分析以及流体动力学等。但是，就其电磁场部分和HFSS相比较都有各自的优势可言。几个相关的应用软件，它们列

17、表如下 ： 微 波 CAD 软 件 简 介序号名称主要性能厂商1ADS综合软件包Agilent 2Serenade综合软件包Ansoft3MW Office线性/非线性电路、2.5D电磁场仿真AWR4Momentum2.5D平面电路电磁场仿真Agilent5Ensemble2.5D平面电路电磁场仿真Ansoft6EM2.5D平面电路电磁场仿真Sonnet7HFSS3D电磁场仿真Ansoft8ANSYS结构静力分析结构动力分析线性及非线性屈曲分析 断裂力学分析 高度非线性瞬态动力分析 热分析 流体动力学 2D、3D电磁场分析 ANSYS9MW Studio3D电磁场仿真CST10Symphony

18、系统仿真Ansoft2.1.1 几个相关类型软件的简介：1. ADS(Advanced Design System )它是Agilent Technoligyies公司推出的一套电路自动设计软件。Agilent Technoligyies公司把已有产品HP MDS(Microwave Design System)和HP EEsof IV(Electronic Engineering Software)两者的精华有机的结合起来，并增加了许多新的功能，构成了功能强大的ADS软件。 ADS软件范围涵盖了小至元器件,大到系统级的设计和分析，主要包括RFIC设计软件、RF电路板设计软件、DSP专业设计软

19、件、通讯系统设计软件以及微波电路设计软件。ADS软件仿真手段丰富多样，可实现包括时域和频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真分析手段，并可对设计结果进行成品率分析与优化，从而大大提高了复杂电路的设计效率，是非常优秀的微波电路、系统信号链路的设计工具。不但其仿真性能优越,而且提供了功能强大的数据后处理能力。这对我们进行复杂、特殊电路的仿真、数据后处理及显示提供了可能。该软件切实考虑到工程实际中各种参数对系统的影响，对要求分析手段多样，运算量大的仿真分析，尤其适用。ADS软件可应用于整个现代通信系统及其子系统，能对通信系统进行快速、便捷、有效的设计和仿真。这是以往任何自动设计软件都不能够的

20、。所以，ADS已被广大电子工程技术人员接受，应用也愈加广泛。主要应用：ADS功能非常强大，对整个现代通信系统及其子系统的设计和仿真提供支持。主要应用有以下几个主要方面：1. 射频和微波电路的设计（包括RFIC、RF Board）。2. DSP设计3. 通信系统的设计4. 向量仿真每个设计本身又包括以下几个内容： 绘制原理图 系统仿真 布局图 Pspice原理图2. Microwave studioMICROWAVE STUDIO是CST公司为快速、精确仿真电磁场高频问题而专门开发的EDA工具，是基于PC机Windows环境下的仿真软件。其主要应用领域有：移动通信、无线设计、信号完整性和电磁兼容

21、(EMC)等。具体应用包括：偶合器、滤波器、平面结构电路、联结器、IC封装、各种类型天线、微波元器件、蓝牙技术和电磁兼容/干扰等。MWS提供两个求解器：时域求解器和本征模求解器，同时也提供各种有效的CAD输入选项和SPICE参数的提取。另外，CST MWS通过调用CST DESIGN STUDIO而内含一个巨大的设计环境库，CST DESIGN STUDIO本身也提供外部仿真器的联结。应用：各种天线、连接器、谐振腔、蜂窝电话、同轴连接器、偶合滤波器、共面结构、串扰问题、介质滤波器、双工器、高速数字设备、喇叭天线、IC封装、互联器、微带滤波器、带状线结构、微波加热、微波等离子源、多芯连接器、毫米

22、波集成电路、多层结构、多路复用器、光学组件、微带天线、平面结构、功分器、偏光器、雷达/雷达截面(RCS)、SAR计算/解剖设备、传感器、屏蔽问题、开槽天线、芯片系统、时域反射计(TDR) 、波导结构、无线设备 3. Microwave OfficeMicrowave Office软件为微波平面电路设计提供了最完整, 最快速和最精确的解答。它是通过两个模拟器来对微波平面电路进行模拟和仿真的。 对于由集总元件构成的电路, 用电路的方法来处理较为简便。 该软件设有一个叫“VoltaireXL”的模拟器来处理集总元件构成的微波平面电路问题。 而对于由具体的微带几何图形构成的分布参数微波平面电路则采用场

23、的方法较为有效, 该软件采用的是一个叫“EMSight”的模拟器来处理任何多层平面结构的三维电磁场的问题。由于这里意在着重于电磁场方面，所以仅提及“EMSight”模拟器。下面是它的具体功能：“EMSight”模拟器是一个完整的三维电磁场模拟程序包, 它可用于平面高频电路和天线结构的分析。模拟器分析的电路都安装在一个矩形的金属包装盒内, 对于电路的层数和端口数并没有限制。它还具有显示微波平面电路内金属上电流和空间电场力线的能力。“EMSight”模拟器可以对微波平面电路进行许多种类的计算, (在该软件中称计算为测量)。 除了可以计算电路的阻抗参量,导纳参量,散射参量,传输参量, 混合参量之外,

24、 对于线性电路,它能计算辅助稳定因子,输入电容,群延迟, 偶/奇模传输常数/阻抗/导纳, 电压驻波比, 端口输入阻抗/导纳, 增益等。具有计算各种线/圆极化微带天线的电场方向图和功率方向图的能力, 在计算天线时矩形的金属包装盒边界可以改变, 顶部和底部可以改为自由空间阻抗,而侧壁可以拉远。在“EMSight”模拟器内也设有一个元件库, 其特点是列入了大量的微带元件的资料如各种弯头, 开路线, 短截线, 耦合器, 阶梯, T形接头等。 还包括了许多传输线的资料。4. ANSYS ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。该软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提

25、供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 这里还是着重介绍电磁场方面。在该软件的电磁场部分，它主要设计以下几个方面：2D

26、、3D及轴对称静磁场分析及轴对称时变磁场交流磁场分析。静电场、AC电场分析，电路分析：包括电阻、电容、电感等。电路、磁场耦合分析 。电磁兼容分析。 高频电磁场分析。 计算洛伦磁力和焦耳热/力。主要应用于：螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、天线辐射、等离子体装置、磁悬浮装置磁成像系统、电解槽及无损检测装置等。 5. Serenade和Symphony Serenade 设计环境为现代的射频以及微波设计者们提供了一个强大的电路、系统和电磁仿真的工具。简易的使用环境允许使用者们在仿真器和其他的工具（如文字处理器）最大程度的产生数据资料的转移。简单的说，它主要包括Harmonica电路仿真

27、 和 Symphony系统仿真部分。Symphony 可以在Serenade 文件夹（一种计算机标原理图获取、布局、和仿真环境）下面运行。它是一个可以仿真有射频、微波和数字部分组成的通信系统的软件工具。Symphony 添加了针对外围环境的高效的模拟、数字混合方式（模拟和数字）和系统分析能力。使用者能够很快的构建一个系统通包括大量元件的库里的射频部分的模拟和数字信号处理。像信道编码，模拟和数字信号处理滤波器，放大器，晶体震荡器衰减信道模型。这些都能使设计者们迅速的组建有线的或者无线系统。由于系统自带了那么多模型，因此设计者只需要对元器件键入很少的关键特征。它也能够对线性或非线性系统进行彻底的操

28、作。它也能输出例如增益、噪声和在时域或者频域上的误码率。针对不同的设计方法，在早期阶段的时候它就能够迅速的检查，以减少设计周期时间和避免由于射频和数字信号处理系统之间的互相干扰而造成的高成本的重新设计。一旦一个设计系统结构被确认了那么一个自上而下的设计流程就能被完成。一个系统的误码率能够基于完整的系统分析而计算出来。对射频的描述，例如阻抗不匹配，晶体震荡器的相位噪声和群延迟，在系统中（当然包括噪声，输入功率，S参数和其他的输入信号扫描分析）把误码率的计算作为一个任何参数的函数。6. EnsembleEnsemble是一个针对射频和微波的平面电磁仿真软件。它是一个对微带线和像滤波器、功分器和天线

29、一类的平面微波结构进行计算S参数和全波场的仿真软件包。Ensemble软件包包括一个从底部开始的计算机辅助设计布局，一个仿真器和一个可显示数据的后处理器。该软件没有用传统的“cut-and-try” 原型，减少了生成的误差。下面是它的一些功能：1 仿真分析 包括 s参数, y参数, 和 z参数。远场近场辐射。表面电流等。2 Ensemble 的应用 PCB布线和路径的仿真。多层微波包装。微波整合电路。超级微波整合电路。平面天线和队列。电路元件创建。3 天线设计 分析圆极化。左旋圆极化和右旋圆极化的远场图。增益和轴向辐射。交叉极化和共极化场等。4. 图形特征： 计算控制初始设计的大小。DXF a

30、nd GDS 的输入和输出。史密斯圆图，极化图和矩形图。远场图。波形计算等。关于Ansoft公司的几个软件应用组合如下图：但是由于HFSS进入中国市场较早，所以目前国内的电磁场仿真方面HFSS的使用者众多，特别是在各大通信技术研究单位、公司、高校非常普及。2.2本软件的特点2.2.1 软件简介Ansoft HFSS软件是适用于射频、无线通信、封装及光电子设计的任意形状三维电磁场仿真的软件。ANSOFT HFSS是业界公认的三维电磁场标准仿真软件包，它必将为射频、无线通信、封装及光电子产品新功能的开发提供崭新高效的研究手段。本软件彻底摆脱了传统的设计模式，大大减少了研制费用和时间，加快产品进入市

31、场的步伐。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场求解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。ANSOFT HFSS充分利用了如自动匹配网格产生及加密、切线向矢量有限元、ALPS(Adaptive Lanczos Pade Sweep)和模式-节点转换（Mode-node）等的先进技术，从而使操作人员可利用有限元法(FEM) 在自己的电脑少对任意形状的三维无源结构进行电磁场仿真。HFSS自动计算多个自适应的解决方案，直到满足用户指定的收敛要求值。其基于MAXWELL（麦克斯韦）方程的场求解方案能精确预测所有高频性能，如散射、模

32、式转换、材料和辐射引起的损耗等。用高效率的计算机虚拟模型的方法来取代费时费力的“cut-and-try”试验方法，可大大缩短设计周期。仿真分析诸如天线、微波转换器、发射设备、波导器件、射频滤波器和任意三维非连续性等复杂问题，已简单化成只需画结构图、定义材料性能、设置端口和边界条件。HFSS自动产生场求解方案、端口特性和S参数。其S参数结果可输出到通用的线性和非线性电路仿真器中来使用。ANSOFT HFSS的自适应网格加密技术使FEM方法得以实用化。初始网格（将几何子分为四面体单元）的产生是以几何结构形状为基础的，利用初始网格可以快速解算并提供场解信息，以区分出高场强或大梯度的场分布区域。然后只

33、在需要的区域将网格加密细化，其迭代法求解技术节省计算资源并获得最大精确度。必要时还可方便地使用人工网格化来引导优化加速网格细化匹配的解决方案。HFSS采用高阶基函数、对称性和周期边界等方法，从而节省计算时间和内存，进一步加大求解问题的规模并加速求解的速度。2.2.2软件功能HFSS软件还有强大的绘图功能。它可以与AutoCAD完全兼容，完全集成ACIS固态建模器。它可以完成以下操作：l 无限的undo/redol 多个物体组合、相减、相交布尔运算l 动态几何旋转l 点击物体选择/隐藏l 二维物体沿第三维扫描得到三维物体(如圆柱体)l 宏记录/宏文本l 锥螺旋、圆柱和立方体的参数化宏l 可选的“

34、实表面”几何体l 在线关联帮助以加快新功能的应用它拥有先进的材料库综合的材料数据库包括了常用物质的介电常数、渗透率、电磁损耗正切。用户在仿真中可分析均匀材料、非均匀材料、各向异性材料、导电材料、阻性材料和半导体材料。对不可逆设备，标配的HFSS可直接分析具有均匀静磁偏的铁氧体问题，用户还可选用ANSOFT 3DFS选件以完成铁氧体静磁FEM的解算仿真。ANSOFT HFSS软件含有一个庞大的库，用该库可参数化定义以下标准形状：l 微带T行结l 宽边耦合线l 斜接弯和非斜接弯l 半圆弯和非对称弯l 圆螺旋和方螺旋l 混合T接头l 贴片天线l 螺旋几何Ansoft HFSS软件还可以以周期边界来解

35、决相控阵。通过指定两个或多个边界间的场关系，关连边界条件（LBCs）使得包含有源等设备的新一类问题也可建模仿真。在对长的、均匀的和周期性的结构建模仿真时，LBCs可大大节省计算时间和内存。周期性的LBCs通过相位关系可确定多个主-从边界。设计师可通过分析相控阵中的一个单元来提取有源单元因子和阻抗，从而研究确定阵列盲区、极化性能和栅瓣。Ansoft HFSS软件强大的天线设计功能，它可以计算下列问题：l 计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽。l 绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。l 二分之一、四分之一、八分之一对称模型并

36、自动计算远场方向图。Ansoft HFSS还拥有以下三种频率扫描技术： 宽带快速率扫描利用APLS快速扫频技术可有效地进行宽带仿真。APLS能产生一个在宽频带内有效的低阶次的模型，并通过计算零极点来完成宽频带求解。APLS包含端口散射以精确确定频段内的输入功率和频带外抑制。 超宽带插值扫频利用插值扫频技术可有效地进行超宽带仿真。插值扫频能在超宽频带内根据频响变化斜率自动增插点数，确保精确确定频段内的所有频响特性。 离散扫频利用离散扫频技术可有效地进行离散频点的宽带仿真。其利用当前网格重新 求解电磁场，从而精确得到各频率点上的性能参数。Ansoft HFSS拥有强大的场后处理器：l 产生生动逼真

37、的场型动画图，包括矢量图、等高线图、阴影等高线图。l 任意表面，包括物体表面、任意剖面、3D物体表面和3D相等面的静态和动态图形。l 动态矢量场、标量场或任何用场计算器推导出的量。动态的表面动画可使图形能以旋转和移位的方式步进。新的图3D云图上有一薄薄的彩色像素层，使你能非常清晰地观察场型特性，用户旋转几何时图形会实时更新。ANSOFTHFSS 可以设计最优化解决方案，它支持强大的具有记录和重放功能的宏语言。这使得用户可将其设计过程自动化和完成包括参数化分析、优化、设计研究等的先进仿真。参数化分析：四螺旋天线广泛应用于包括GPS接收机在内的无线通信设计中。其圆极化辐射方向图提供了很宽的半球状覆

38、盖区域并具有极低的后瓣辐射。该模型在HFSS依据不同的螺旋比和总旋转数目进行了多次仿真，设计师利用先进的宏功能可很快地进行多次仿真，以研究关键参数是如何影响带宽、增益和后瓣电平的。2.2.3 该软件的优势Ansoft有自己的独特优势：由Ansoft Designer和Ansoft HFSS构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，它以Ansoft公司居于领先地位的电磁场仿真工具为基础，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。 其集成化的设计环境和独有的“按需求解技术使设计工程师们在设计的各个阶段都能充分考虑结构的电磁效应

39、对性能的影响，实现对整个设计流程的完全控制，从而进一步提高了仿真精度，完成整个高频系统的端对端设计。最后一点，HFSS的所有问题分为两大类：“Driven Solution”和“Eigenmode Solution”,前一个用于一般的需要激励源或者有辐射产生的问题，适用于几乎所有除谐振腔以外的问题；后者为本征问题求解，主要用于分析谐振腔的谐振问题，不需要激励源，也不需要定义端口，更不会产生辐射（封闭结构）。 Ansoft Optimetrics是一个综合优化包，可以用于HFSS和Ensemble，主要用于结构参数的优化，最典型的例如双枝节匹配，可优化两个枝节的长度及间距使得反射最小。根据你给定

40、的优化目标，可以进行模型参数的调整，例如介质片移相器，你可以以移相器的相移为目标函数，优化介质片的长度，使相移满足需要。总之，Ansoft HFSS 软件以其强大的设计仿真功能，无论在设计手机、通信系统、宽带器件、集成电路（ICs）、印刷电路板等高频微波的方方面面都迅速赢得了设计人员的广泛认可，并且也迅速获得了广泛的应用。2.3本软件使用必须具备的理论知识点首先必须对电磁场和电磁波有一定的了解。一些基本的概念理论必须知道。例如，波导的概念。圆柱形波导，矩形波导等。了解谐振和谐振器的知识。知道空腔谐振器。例如，如果不知道空腔谐振器，基本可以说微波信号就无从谈起。在微波信号的产生方面，微波空腔谐振

41、器是整个微波振荡器比不可少的组成部分。空腔谐振器的种类，例如分别有矩形和圆形波导组构成的矩形空腔谐振器和圆形空腔谐振器等。提高一个层次，还必须对微波技术的基本理论和概念有一定的了解。例如传输线和分布参数阻抗的概念。理解微带线和带状线。谐振器的激励。还有极化，同轴线缆等。了解谐振器、传输线、波导等一些微波元器件的基本参数，模式等。仅仅对电磁场、电磁波和微波等的概念还是不够的，还必须对一些特性、参数等有一定的掌握。要不然，软件仿真出来的信息你是看不懂的。仅仅会检模，会定性的用后处理看一些软件生成的矢量图和动画是不够的。里面有大量的参数信息等那才是最重要的。所有以上所涉猎的概念、参数等，无不与电磁场

42、和微波有关系。所以，学习本软件，对这两方面的了解是个前提，也是基本的理论知识。另外，随着对该软件的深入就会必然的涉及到天线以及其他的知识。就拿天线来说，如天线参量，天线增益、方向性、天线的效率、远场方向图、阻抗，极化，带宽、通频带等就必须很熟悉了。2.4使用本软件的关键、难点问题以有限元方法为基础的Ansoft HFSS并非是傻瓜软件，对于绝大部分的问题来说，想要得到快速而准确的结果，必须人工作一定的干预。除了必须十分明了模型细节外，建模者本身也最好具备一定的电磁理论基础。对于本软件的关键、难点问题，主要有以下几点： 关于问题的规模HFSS所能计算的问题规模与计算机硬件关系很大，其次是所使用的

43、操作系统。在HFSS 8.0里，问题描述矩阵的阶基本和网格数正比，对于四面体上10万的问题也能游刃有余（只要机器够好），然而这并非是指实际问题的电尺寸，实际上，要精确计算一个计算机网络电缆接头（RJ45）所需要的时间和资源并不比计算一个有一个波长电尺寸的一般辐射问题少多少，所以实际上其计算规模的主要约束是问题的复杂程度，而复杂程度里面包含了电尺寸、结构复杂度等要素。由此提醒我们建模时应该尽量简化模型。一般来说，除了在激励区，当结构电尺寸比二十分之一波长还小时，可以忽略它的存在而不会引入明显的误差，这一点在解决问题之初很有效，可以迅速发现问题的关键；当问题的主要要求满足后，再将模型细化以获得更加

44、精确的结果。 关于建模问题该软件的一个难点问题就属建模了.建模是一个要有经验的事情. 关于网格划分当模型建立好了之后，进入计算模块，第一步是给问题划分网格。对于一般问题，让软件自动划分比较省心，但对大型问题和复杂问题，让软件自己划分可能需要很好的耐性来等待。根据实际经验，在大型模型的结构密集区域或场敏感区域使用人工划分可以得到很好的效果，有些问题的计算结果开始表现为收敛，但进一步提高精度，却又反弹，问题就在于开始时场敏感区域的网格划分不够仔细，导致计算结果的偏差。 对称面的使用对于一个具体的高频电磁场仿真问题，首先应该看看它是否可以采用对称面。这里面的约束主要在几何对称和激励对称要求。如果一个

45、问题的激励并不要求是可改变的，比如全部同相馈电的阵列，此时最好采用对称，甚至可以采用2个对称（E和H对称），将可以大大节约时间和设备资源。 面的使用在实际问题中，有很多结构是可以使用二维面来代替的，使用二维面的好处是可以极大的减少计算量并且结果与使用三维实体相差无几。以计算偶极子为例，如果偶极子是以理想导体为材质的圆柱，那么相同的其他条件下其计算时间大约是采用等效面为偶极子的45倍，由此可见一般。 Lump Port（集中端口）的使用 在HFSS 8.0里提供了一种新的激励：Lump Port，这种激励避免了建立一个同轴或者波导激励，从而在一定程度上减轻了模型量，也减少了计算时间。Lump P

46、ort也可以使用一个面来代表，要注意的是对该Port的校准线和阻抗线的设置一定要准确，端口在空间上一定要与其他金属（或电面）相接，否则结果极易出错。 关于开孔有些问题需要在壁上开孔，此时可以采用2种办法，其一是老老实实的在模型上挖空；其二是采用H/Natrue边界条件，通常，如果是在面上开孔，将会采用后者，简单，便于修改。 关于软件内与工具书内有些参数名称的不一致问题在软件内，当软件计算（slove）完毕后，在查看解决后的信息时，可能有些参数的名称于我们用的微波、电磁场等工具书中所涉及的参数名称不一致。举个离子，在我们的工具书中，我们用的反射参数在软件里面叫S参数；我们在工具书中经常用到的传输

47、参数“”,我们只知道它的符号是“”，而在软件里就是”Gama”。之所以把两者的名称问题提出来，是因为这些对初学者来说可能会有点迷惑。但是对于理论知识比较扎实或者该软件的熟练用户来说，这就不是一个所谓的“问题”了。以上所提到的这些问题，都是在使用HFSS软件时能够遇到的。对于开始的两个问题：关于问题的规模和关于网格划分，是HFSS使用的关键所在。机器的配置直接关系到计算模型的速度和精度。尤其在动画演示、生成解决方案、生成优化解、HFSS优化中的生成参数解、甚至在进行模型旋转时，会极大的消耗内存，如果内存配置不够或者硬件配置差些的话，就很可能造成计算不准确、偏差过大、不能操作甚至死机的情况。而对称

48、面的使用、面的使用、Lump Port（集中端口）的使用和开孔问题都是HFSS的使用中相对的难点。对这些的处理，要有经验的技术人员进行人工干预。没有经验这些事情都做不好。不是费时费力就是计算错误。还有在画图建模型时因为经验的原因也会有很大的差别。因此，这几个方面是HFSS初学者的难点，不易掌握的地方。第三章、原理及基础理论3.1 微波谐振器就广泛而言，凡是能够限定电磁能量在一定体积内谐振的结构都可构成电磁谐振器。微波谐振器一般是有任意形状的电壁或磁壁所限定的体积，其内产生电磁振荡。它是一种具有储能和选频特性的微波谐振元件。它的作用类似于电路理论中的集总元件谐振器，在微波电路和系统中广泛用作滤波

49、器、振荡器、频率计、调谐放大器等。由于谐振器的种类很多，因此分析方法也有所不同。从根本上讲，微波谐振器的求解属于场的边值问题。对于微波谐振器，我们应有下面的认识： 微波谐振器中可以存在无穷多不同振荡模式的自由振荡，不同的谐振模式具有不同谐振频率。这说明微波谐振器的多谐性，这一点与低频的LC回路振荡不同。 微波谐振器中单模电场和磁场为正弦场，时间相位差为90，电场最大时磁场为零；同理磁场最大时，电场为零。两者的最大储能相等。由于谐振器内无能量损耗，谐振器表面也无能量流出，能量只能在电场和磁场之间不断的交换，形成振荡。由此看出，微波振荡器的振荡实质与低频的LC振荡时相同的。3.1.1 谐振器的基本

50、参数由于谐振器种类繁多，这里仅以金属波导为例简述谐振器原理，参数等。金属波导谐振腔是有两端短路的金属波导端做成的，常用的有矩形波导谐振腔和圆形波导谐振腔。我们知道，在表示低频LC回路的基本参数是L 、C、R(或G)。而用来表示微波谐振器的基本参数则是谐振波长0（或谐振频率f0）、品质因数0和等效电导G0。下面就以矩形波导谐振腔为例来说明以上参数的基本理论和公式。矩形波导谐振腔是有一段长度为，两端短路的矩形波导组成，电场和磁场能量被存储在腔体内，功率损耗是有腔体的金属壁与腔内填充的介质引起的。谐振腔可以用小孔或探针或环与外电路耦合。首先求谐振腔在无耗情况下的谐振频率，然后用微扰发求其Q值。（1）

51、 谐振频率矩形波导谐振腔（简称矩形腔）内的场分量可有入射波和反射波场的叠加求得。有电磁场的理论可以得到在矩形腔中，TEmn或TMmn模的横向电场（Ex,Ey）可以些成：Et(x,y,z)=E0t(x,y)A+e-(jmnz)+ A-e(jmnz) (1)上式中，E0t(x,y)为该模式横向场的横向坐标函数；A+和A-分别为正向和反向行波的任意振幅系数。TEmn和TMmn模的传播常数可表示为：mn= (2)在这里，k=,和是腔体内填充材料的导磁率和介电常数. 将z=0 处的边界条件Et=0用于式（1），得到A+=-A-,又有z=处的边界条件Et=0，可以得到Et(x,y, )=- E0t(x,y

52、) A+2jsinmn=0,由此可以得到： mn=p/ p=1,2 (3)这表明，谐振时腔体的长度必须是半波导波长的整数倍。 矩形腔的截止波数则可求的为： Kcmnp= （4）有上式，与矩形波导的模式相对应，矩形腔可以存在无穷多TEmnp和TMmnp模式。下标m,b,p分别表示沿a,b, 分布的半驻波数。TEmnp或TMmnp模式的谐振频率则为： mnp= （5） 谐振频率最低或谐振波长最长的模式为微波谐振器的主模。矩形腔的主模是TE101模。（2） TE10p模的Q值品质因数时表征微波谐振系统的频率选择性，表示谐振器的储能与损耗之间的关系。其定义为：Q0=2（W/WT）=0(W/Pl) （6

53、） 上式中，W代表谐振器储能，WT代表一周期内谐振器的能量损耗，Pl代表一周期内的平均损耗功率。 谐振器的储能：W= We+ Wm= （7） 谐振器的平均损耗功率为：Pl = (8) 式中RS为表面电阻率，Htan为切线方向磁场。将（7）（8）两式带入（6），得到品质因数的一般表示式为： Q0= (9)上式中为导体的趋肤深度。实用的矩形腔几乎都是以TE10p模式工作的。有电磁场理论、（1）式和A+=-A-，可求得矩形腔TE10p模得场分量为 Ey=E0sin(x/a) sin(pz/) (10a) Hx= -(jE0/ZTE)sin(x/a)cos(pz/) (10b) Hz=jE0/(ka)

54、cos(x/a) sin(pz/) (10c)TE10p模式电场储能为： We= (11)磁场储能则为： Wm= (12)而ZTE=k/, =10,于是式（12）右边括号中的量可化简为： =1/2=/。因此有 We= Wm。这就是说，谐振时矩形腔内的电场储能与磁场储能相等。 对于小损耗的情况，我们可以用微扰发求腔体内壁的功率损耗，即有 Pc= (13)上式中，Rs=是金属壁的表面电阻，Htan是腔壁表面处的表面磁场。利用式（10b）（10c）和（13），可以得到下式： Pc=+= （14）则有式（6）可求得矩形腔TE10p模式的有限导体壁，但是介质无耗情况下的Q值为： Qc=20 We/ Pc

55、= (15)若介质有损耗，则TE10p模矩形腔内有耗介质的耗散功率为： Pd= (16)根据定义式，则得到用有耗介质填充但腔壁为理想导体的谐振腔的Q值为： Qd=20 We/ Pd =/=1/tg。 （17）上式可用于计算任意谐振腔模式的Qd。当腔壁和填充的介质都存在损耗时，总的功率损耗为Pc+ Pd，由式（6）的，总的Q值为:Q=(1/ Qc+1/ Qd)-1 (18)3.2 规则的金属波导规则金属波导是指各种截面形状的无限长笔直的空心金属管，其截面形状和尺寸、管壁的结构材料和管内介质材料填充情况沿其管轴方向均不改变。它将被引导的电磁波完全限制在金属管内沿轴向传播，因此又称为规则封闭波导。通

56、常叫做规则波导。它的管壁材料一般用铜铝等金属制成。有时壁上度有金或者银。规则金属波导管内的电磁场可有麦克斯韦方程组结合边界条件来求出。是典型的边值问题，属于本征值问题。波导管壁的导电率很高，求解时通常可假设波导壁为理想导体；管内填充的介质假设为理想介质；在管壁处的边界条件是电场的切线分量和磁场的法线分量为零。规则金属波导仅有一个导体，不能传播TEM模导波；其传播模式可分为横电（TE）和横磁(TM)导波两大类，并且存在无限多的模式。这些导模在传播中存在严重的色散现象，并具有截止特性；每种导模都有相应的截止波长c（或截止频率c）,只有满足条件c(工作波长)或c(工作频率)才能传输。b规则金属波导的

57、横截面可以作成各种形状，例如矩形、圆形、脊形、椭圆形、三角形等。因为在研究应用中广泛应用到矩形波导和圆形波导，因此这里仅研究矩形波导的传输特性及其相关问题。 a矩形波导是截面形状为矩形的金属波导管。 y b x如右图所示，a、b分别表示内壁的宽边和窄边的 z尺寸（ab），波导内通常填充空气。波导内的介质参数为、。在矩形波导中，存在下列等式： Kc2=K2-2, K=2/ (3.2-1)如介质有损耗，为复数，=0r（1-jtg）,其中tg是介质材料的损耗正切。Kc2= K2x+ K2y =(m/a )2+( n/b)2 (3.2-2) 上式表明，矩形波导中可以存在无穷多种TE和TE导模，分别以T

58、Emn和TEmn表示。它们的最低型模是TE10和TE11模。 矩形波导是使用最广泛的导行系统之一，特别是在高功率系统、毫米波系统和一些精密测试设备等方面都采用矩形波导。3.2.1 矩形波导的传输特性（1） 导模的传输条件和截止有式(3.2-1)和 (3.2-2)得到矩形波导中每个TEmn和TEmn导模的传播常数为： = （3.2-3）对于传输模，应为实数，这就要求K2Kc2，截止时， =0，Kc2=K2并有式c=和（3.2-3）可得到导模的截止频率： = （3.2-4）相应的截止波长为： = （3.2-5） 有（3.2-4）和（3.2-5）知，ab的矩形波导的主模是TE10。传输单一模式（通常

59、是传输主模）的波导称为单模波导。矩形波导在使用时几乎都是以主模TE10模工作的。 （2） 相速度和群速度 矩形波导导模的相速度为：= （3.2-6）式中V和分别表示媒质中平面波的速度（= c 为真空中的光速）和波长（=，0为自由空间波长）。矩形波导导模的群速度为： （3.2-7）有上面两个等式可见，矩形波导中导模的传播速度与频率有关，存在严重的色散现象。 （3）波导波长 导模系统中导模相邻同相位面之间的距离，或相位差2的相位面之间的距离称为该导模的波导波长，以g表示： g=2/=/ （3.2-8）上式当然也适合于矩形波导中导模的波导波长。 （4）波阻抗导模系统中导模横向电场与横向磁场之比称为该导模的波阻抗。TE导波和TM导模的波阻抗分别为： ZTE= (3.2-9)ZTM = (3.2-10)式中 = 为媒质的固有阻抗，对于空气，=0=376.7。上面两个式子当然也适合于矩形波导中导模的波阻抗了。有式(3.2-9)和(3.2-10)知，