HFSS资料.doc

3.2.2 操作指南和应用（Operational Guideline and Application） 完整的天线仿真分析基本步骤包括（带*号的是必要步骤）： 1、创建工程及基本运行环境设定（Create project and set operating environment）：基本的包括创建新工程、插入新设计、修改工程和设计名、设置绘图单位和求解类型等；*2、创建模型（Draw a geometric model）：通过使用各种绘图命令，建立与实际模型对应的仿真模型结构，并设置求解空间和边界条件（各种端口激励和辐射边界等）； 3、确定模型设计参数的变量（Assign variables to a models design parameters）：建立变量来代替模型中的位置和尺寸参数，这有利于调整模型的结构，建立起模型各个参数之间的联系，也是进行后期参数分析、优化的必要前提； *4、求解设置（Specify solution settings for a design）：求解设置包括指定求解的频率，求解的迭代步数和求解结束的条件，另外如果要考察模型随频率变化的特性，还需要设置相应的扫频项； 5、验证设计设置（Validate a designs setup）：经过上面的步骤，一个完整的分析模型就建立起来了，不过在分析之前我们应该检查模型的正确性与完整性，快捷工具可以帮助我们完成模型的检测，并给出错误提示，以便我们进行修改更正； *6、运行HFSS仿真（Run an HFSS simulation）：点击工具栏中的图标进行仿真，仿真的时间由模型的大小、计算机性能以及求解项的设置有关，这过程中我们可以多线程工作； *7、创建图表结果（Create report results）：仿真结束，我们要查看模型的各种性能参数，HFSS为我们提供了丰富的参数类别和图标形式，可以创建不同的图表来描述仿真的结果；8、参数扫描与变量优化（Parametric sweep and optimization）：当我们要考虑不同参数变量对天线性能的影响以及需要综合优化天线性能时，HFSS也给我们提供了参数扫描和优化的功能。 我们接下来看看怎样画一些基本图形：1、矩形；2、圆形；3、内接多边形；4、椭圆；5、长方体；6、圆柱体；7、多面体；8、圆锥和圆台；9、球体；10、圆环：输入的第二点为外半径或者内半径，第三点与第二点可以确定圆环截面的直径；11、螺旋线：螺旋线是由线或者面沿螺旋轨迹平移获得，首先必须画出螺旋线截面对应的形状，然后指定轴向、旋转一周上升的高度和圈数。12、平面螺旋线：下面以对称阵子为例具体说明软件的基本操作。设阵子总长是 ，阵子半径是，工作频率是260MHz， 。 一、创建工程及基本运行环境设定步骤1：打开HFSS，程序会给用户创建一个默认工程和设计，我们可以给它起一个方便我们今后使用的名字另存；若要建立新的工程则可以选择菜单FileNew或者点击工具栏中的；若要在工程中插入新的设计，可以从菜单选择ProjectInsert HFSS Design或者点击工具键；此外我们还可以对设计进行复制和粘贴的操作；步骤2：从菜单HFSSSolution Type选择求解类型（Solution Type）为Driven Model，对于不同求解类型的应用说明可以参照HFSS帮助； 步骤3：设置单位，从菜单选择3D ModelerUnits或者ToolsOptionsGeneral OptionsDefault Units中选择m，如果是双核计算机，还可以在ToolsOptionsHFSS Options的Solver标签页的Number of Processors中改成2，点击确定退出。 二、创建模型步骤4：画图前应选择参考平面，这里我们选择XY平面。先画阵子1，在菜单选择DrawCylinder或者工具栏中点击快捷按钮，坐标尺寸的输入方式有两种：方式1是用鼠标在3D Modeler窗口移动，点击左键和拖动鼠标的方式确定圆柱的中心、半径和高度。方式2是用Tab键在状态栏输入圆柱中心、半径和高度坐标，按回车（Enter）键确定。这些参数也可在3D Modeler窗口中选定所绘出需要修改的目标，右键通过EditProperties进行修改或者建立相应的变量（参见图3.18）。图3.18 参数编辑窗口几何尺寸和位置如圆柱半径、高度和中心坐标，均可通过设置变量并赋值来确定以便进行参数优化。设计的所有变量及其赋值可从HFSS Design Properties中查看并修改；操作技巧：画完图形后，我们可以通过按住Alt键，或者Shift键，或者Alt+Shift键并拖动鼠标可以分别实现图形的旋转，平移和放大缩小的操作，这三个操作是最常用的操作。另外Ctrl+D可以让我们的模型以最合适的尺寸显示在3D模型窗口中，Alt+双击左键会将视图角度调整为沿某坐标轴显示；步骤5：画阵子2。由于结构的对称性，可利用复制功能完成。选定阵子1，点击右键Edit Duplicate Around Axis或者点击工具栏中的，选择旋转轴为X，输入旋转角度为180度，按ok确定。 除了可以沿轴旋转复制，HFSS还提供了平移复制和镜像复制，可以方便的建立具有相似结构的图形；步骤6：设置阵子材料。按住Ctrl键同时选定阵子1和阵子2，点击右键，选择Assign Material，弹出Select Definition窗口，键入pec（理想导体），按确定退出。 步骤7：激励平面设置。选择YZ平面，画一矩形，大小正好覆盖两个阵子的间隙。 步骤8：求解区域设置。天线属于辐射问题，基于有限元的HFSS必须在有限空间内求解才有意义，所以我们在天线周围画一有限大的长方体空气腔作为天线的求解空间，并给空气腔加上辐射边界条件，通常辐射边界与天线体的距离略大于四分之一个波长。在工具栏选择Draw box，在3D modeler窗口画出立方体空气盒子（参见图3.19）。图3.19 对称阵子的3D模型图三、设置边界（Boundaries） 步骤9：右键选定计算区域空气盒子，选择Assign boundaryRadiation，给边界条件命名并点击确定完成设置，这时在工程管理树的Boundary节点下会新建一个Rad1的辐射边界项。 四、设置激励（Excitations） 步骤10：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有下向上画出积分线，点击完成退出激励设置。思考问题：Lumped Port和Wave Port的区别是什么？ 五、设置分析（Analysis） 步骤11：选定工程管理窗口中的Analysis节点，点击右键选择Add Solution Setup，弹出Solution Setup对话窗口，输入工作频率300MHz，收敛迭代最大步数（Maximum Number of Passes）10，点击确定退出。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Sweep Type为Fast，输入计算频率范围，按ok退出。当需要仿真天线在较宽频带特性的时候选择Fast扫描可以获得较短的仿真时间，而要精确的计算几个谐振频点上的天线特性可以选择Discrete扫描类型。六、设置辐射场（Radiation） 步骤12：选择工程管理窗口中的Radiation，点击右键选择Far Field Setup Infinite Sphere，弹出对话框，保持缺省值，按确定退出。这里设置的远场坐标范围和精度将影响最终远场的仿真结果，一般我们习惯将Theta=0作为矩形X轴的中点，那么我们就可以将Theta的范围设置成从-180deg到180deg。 七、检查错误和分析步骤13：由主菜单选HFSSValidation Check或者点击工具栏中图标，则弹出确认检查窗口，对设计模型进行有效性检查。对于建模中的错误会在信息窗口提示，全部完成而没有错误时，点Close结束；步骤14：由主菜单HFSSAnalyze或者点击工具栏中图标，对设计的模型进行求解，在这过程之中我们可以在进度窗口查看分析的进程。待求解全部完成以后，在信息窗口会出现提示信息。*步骤15：分析完毕且没有错误提示，我们就可以看看辛苦建模的成果了。但是在创建图表之前，有一点必须去注意的就是查看求解结果是否收敛。因为求解过程没有出错并不代表输出结果就是正确的，有可能我们设置的求解条件不合适导致结果的误差超出可接受的范围。从菜单HFSSResultsSolution DataConvergence就可以看到求解结果是否收敛，如图3.20。图3.20 求解结果如果结果没有收敛我们可以返回求解设置一步，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结果完全收敛。七、显示结果（Results） 步骤16：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Done退出。生成的VSWR曲线如图3.22所示。 图3.22 S11随频率变化的曲线步骤17：画3D辐射方向图。选定工程管理窗口中的Results，点击右键选择Create Report Far Fileds 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，选择Freq为谐振点，点击Add Trace，点击Done退出。生成的3D辐射方向图如图3.21所示。 图3.21 对称阵子的3D远场方向图步骤18：画阻抗随频率的变化曲线。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Z Parameter，在Function框选择re和im，点击Add Trace，点击Done退出。生成的阻抗实部和虚部随频率的变化曲线如图3.23所示。对画出的曲线我们可以右键Data Maker进行标注，使生成的结果更加清楚。生成的图表会标注有默认标题和坐标说明，我们可以双击对其进行修改。 图3.23 输入阻抗随频率变化的曲线步骤19：画阻抗Smith Chart。选定工程管理窗口中的Results，点击右键选择Create Report，在Display Type框选择Smith Chart，按ok确定，保留缺省值，点击Add Trace，点击Done退出。生成的Smith Chart如图3.24所示。 图3.24 Smith Chart对于输出的图表结果我们可以单击鼠标右键Copy to Clipboard，将图标结果复制到剪切板中，或者选择Export to Filed生成数据文件以便后期处理。步骤20：画对称阵子上的电流密度。选定两个阵子臂，右键FieldsJMag_Jurf，Solution中选择Setup1：Sweep1，Intrinsic Variables中的Freq选择谐振频率，点Done完成，对添加的表面电流我们还可以动态模拟，在菜单ViewAnimate或者快捷工具，在设置动态模拟对话框中选择动态变化的参数、间隔和模拟速率。当我们选定的物体被其他结构遮挡的时候，可以用B键切换过去，或者在菜单ViewActive View Visibility勾选需要显示的部分，然后再进行选择。在不需要坐标轴显示的时候，我们也可以通过ViewCoordinate SystemHide来隐藏。图3.25 对称阵子的电流分布最后我们来介绍一下变量的设置，变量的设置是为了方便仿真结构的调整和今后的参数优化。我们选中一个物体，在属性窗口的Command标签页中可以用变量代替数值，然后按Enter，系统会提示你对新增的变量设定初始值，注意输入初始值的时候要带上单位。当我们点击工程树中的设计节点时，所有的变量都会在属性窗口显示，我们可以在这里很方便的修改物体结构的位置和尺寸，而不用分别选定每个对象进行修改。小结：本次课我们介绍了Ansoft公司的HFSS高频仿真软件的基本特性和基本操作，并结合实际例子对一个对称阵子进行了建模和仿真。作为一个软件，学习它最好的办法就是经常使用它，由于课时有限，这里介绍的都是基本的操作，对于其他的许多功能和定义，我们可以查找HFSS的帮助文件和用户手册。在下一节中我们介绍两个稍微复杂的例子，学习HFSS其他一些重要功能以及一些应用上的技巧。回顾：上次课我们通过简单的介绍和一个例子的介绍，已经对Ansoft公司的高频仿真软件HFSS有了初步的了解，这节课我们将以两个稍微复杂的例子来进一步的学习。例1：双极化的缝隙耦合馈点空气介质微带天线，天线的结构如图1所示：假设：我们建立的模型不考虑金属厚度，所有金属体包括馈线均为pec材料。一、建立工程并设置环境：步骤1：打开HFSS，这时系统默认新建一个的工程（project）和设计（design），我们可以更改工程名和设计名并另存为，操作与windows文件操作一致；步骤2：从菜单ToolsOptionsGeneral OptionsDefault Units的默认长度单位中选择mm；步骤3：从菜单HFSSSolution Type选择Driven Modal；二、创建模型：步骤4：点击，按Tab键分别输入起始顶点(x,y,z)和边长(dx,dy,dz)，在这之间不要移动鼠标，输入完毕后按Enter建立起一个矩形；重复上述步骤建立四层金属结构和地板底部的馈点微带线；步骤5：点击，创建辐射体和地面之间的金属支杆，得到的模型3D图如图2所示；步骤6：按住Ctrl键，选取所有矩形以及圆柱，右键选择Assign BoundaryFinite Conductivity，在对话框中勾选Use Material，点击右边的按钮在材料库中选择pec来逐个设置材料；图2 3D模型步骤7：在地板面上的缝隙位置处画出两个矩形片，按住Ctrl键同时选取地板和这两个矩形，右键弹出菜单EditBooleanSubtract，在Blank Parts复选框内保留地，在Tool Parts复选框内保留两个小矩形，两边的对象可以通过中间的按钮进行调整，最后点击OK可以完成在地板上开缝的操作如图3。图3 在地板开槽后的模型三、设置激励步骤8：选择作图平面分别为XZ和YZ，在金属微带线与地之间画两矩形作为激励面，宽度与微带线同宽。右键点击该面选择Assign ExcitationLumped Port，点击下一步，在Terminal LineNew Line下拉框中选择New Line。这时可以用鼠标或者坐标输入的方法确定端口阻抗积分线的方向。完成后点击下一步并保留缺省设置点Done退出；四、设置边界条件步骤9：右键单击建立好的空气腔选择Assign BoundaryRadiation，给边界命名并点OK完成辐射边界的设置；步骤10：除了给有限大的空气腔周围设置辐射边界条件，要想得到远场空间上的相关结果，还必须设置远场辐射坐标的取值范围和取值间隔。我们可以在工程管理树打开到Radiation，右键选择Insert Far Field SetupInfinite Sphere，在弹出的对话框中的Infinite Sphere标签页中设定方位角（Phi）和俯仰角（Theta）的取值范围和间隔，点击确定完成设置；五、设置求解条件步骤11：至此，天线模型已经完整建立，接下来我们需要设置求解条件。在工程树中找到Analysis节点，选择Add Solution Setup，弹出对话框。在General标签页的Solution项输入工作频率，这里为2.17，单位为GHz，Maximum Number of Passes项设为15，其他不变，点确定完成。则在Analysis节点下添加一个求解设置项，默认名为Setup1。步骤12：分析天线的频率响应特性，还需要进行扫频设置。在工程树中的Setup1项点击右键，选择Add Sweep，在弹出对话框中扫描类型选择Fast项；在Type栏选择Linear Count，定义频率范围为：1.62.3GHz，共20点，点OK完成。则在Setup1节点下增加一个频率扫描项，默认名为Sweep1。六、检查错误和分析步骤13：由主菜单选HFSSValidation Check或者点击工具栏中图标，全部完成而没有错误时，点Close结束；步骤14：由主菜单HFSSAnalyze或者点击工具栏中图标，对设计的模型进行分析求解。七、输出图标结果步骤15：我们将创建一个S11参数的矩形曲线图，在工程树中的Results项上点击右键，选择Create Report。在弹出的对话窗的Report Type列选择Modal S Parameters，在Display Type列选择Rectangular Plot，点OK完成，则弹出Traces对话框。选中对话窗中部的Y标签页，在Category列选择S Parameter，在Quantity列，按下Ctrl键的同时，选择S(Port1,Port1)、S(Port1,Port2)、S(Port2,Port1) 、S(Port2,Port2)项，在Function列选择dB。在Sweep标签页，选择Sweep Design and Project variable values，其他默认，点Add Trace，则在上方加入S11 、S12、 S21、 S22参数曲线，点Done完成。结果如图4所示图4 天线的模型散射参数随频率的变化曲线步骤17：我们再创建一个辐射方向图的矩形图。在工程树中的Results项上点击右键，选择Create Report。在弹出的对话窗的Report Type列选择Far Field，在Display Type列选择Rectangular Plot，点OK完成，则弹出Traces对话框。选中对话窗中的Sweep标签页，Solution下拉菜单选择Sweep1，主扫描变量为Theta，Phi分别取0deg和90deg的两个面，Freq选择1.71GHz和2.17GHz，再选中对话窗中部的Y标签页，在Category列选择Gain，Quantity列选择GainX、GainY，Function列选择dB，然后点击Add Trace添加曲线并选择Done保存退出。输出结果得到下面一组曲线。图5 天线两个正交主平面的远场方向图注意：对于多个端口的激励模型，我们可以在工程树Field Overlays节点单击右键选择Edit Sources来编辑激励源，如图6所示，我们可以在Scaling Factor项和Offset Phase修改激励的大小和相位。图6 激励编辑窗口以上的例子有一个共同的特点，就是已经知道天线的结构尺寸，建立相应的模型进行仿真，这个过程叫做分析。现实设计天线时，我们一般由经验公式得出一组天线的尺寸参数，然后微调各个参数，对各种参数重复分析，对比结果，最后选择一组满足产品性能指标的参数进行天线的加工制作。另一方面，实际中天线的形状，馈点形式和大小的往往受到约束，如何满足这些约束条件设计出性能最优的天线，也是用分析软件设计天线时遇到的主要问题。HFSS中提供了参数优化的功能来解决天线设计中的天线最优化问题。我们通过一个例子来学习。例：设计一个矩形微带天线，工作频率为2.4GHz，采用底部馈点，优化馈点点的位置使驻波比参数最优。一、创建工程及基本运行环境设定步骤1：点击建立新的工程和设计，将工程名改为Microstrip Antenna，设计名改为Ant1，另存。步骤2：选择Solution Type为Driven Modal，单位长度为mm。*二、创建模型 步骤3：点击矩形分别画出地板和辐射贴片； 步骤4：点击长方体分别画出介质层和空气腔； 步骤5：点击圆柱体在地板与贴片中间画出馈点导线； 步骤6：点击圆形在地板上画出馈点端口； 步骤7：同时选中地板和端口，右键选择EditBooleanSubtract，在弹出对话框中，确定地板在Blank Parts列，端口在Tool Parts列，勾选Clone tool objects before subtracting项，即在接地板中裁去和端口一样大小的洞且仍保留端口。点OK键完成。 步骤8：按住Ctrl键，同时选取地板、贴片设置他们的边界为等效pec，选取馈线设置材料为pec，基片的材料为Rogers RO4003。 三、设置激励 步骤9：选择端口，右键Assign ExcitationLumped Port，保留默认值按下一步，在积分线（Integration Line）下拉选择New Line，方向由外导体指向内导体，点击完成，这时在工程树的Excitation节点下新增一个激励项。四、设置辐射边界和远场坐标 步骤10：选择空气腔体，右键Assign BoundaryRadiation，点击OK； 步骤11：在工程管理树的右键点击Radiation节点，选择Insert Far Field SetupInfinite Sphere，在弹出的对话框中的Infinite Sphere标签页中设定方位角（Phi）和俯仰角（Theta）的取值范围和间隔，点击确定完成设置；五、求解项和扫频设置 步骤12：右键点击工程管理树中的Analysis节点，选择Add Solution Setup，弹出求解设置对话框，将工作频率选择为2.45GHz，Maximum Number of Passes项设为15，其他保持不变，确定退出，Analysis节点下新增一个Setup1的求解设置。 步骤13：右键点击 Setup1Add Sweep，选择扫描方式为Fast，在Frequency Setup的Start设为2，Stop设为3，Step Size设为0.1GHz，点击OK完成。六、有效性检测和分析步骤14：点击进行有效性检测，在确定没有错误以后，点击开始分析，这时我们可以从菜单打开HFSSResults观察分析过程是否收敛。若经过最大迭代步数仍没有收敛，我们可以中断分析，重新对求解项进行设置。七、输出结果步骤15：在工程树的Result节点右键Create Report，选择模型求解参数和矩形图。这时弹出曲线设置对话框，在ContextSolution选择Setup：Sweep1，Sweep标签页的Category一列选择S Parameter