基于HFSS分析波导腔体实例PPT课件

.,1,HFSS,.,2,纲要,第一部分软件设计环境第二部分波导腔体内场分析第三部分波导腔体内场优化,.,3,第一部分软件设计环境,.,4,.,5,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。工程树中的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。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。,工程树,.,6,Model：建立的模型。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。定义某物体或某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。MeshOperation：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。Result：结果。包括所有后处理生成的结果报告。PortFieldDisplay：显示模型的端口场分布。FieldOverlays：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。,.,7,绘图历史树,绘图历史树包括绘制的所有的几何模式，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。,.,8,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。,属性窗,.,9,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。,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。,信息窗,进程窗,.,10,目标：建立一个T型波导模型，利用HFSS软件求解、分析、观察T型波导的场分布情况,第二部分波导腔体内场分析,.,11,一、创建工程,第一步：打开HFSS并保存新工程打开HFSS软件后，自动创建一个新工程：Project1。由主菜单选FileSaveas，保存在指定的文件夹内，命名为Ex1_Tee。,.,12,第二步：插入HFSS设计由主菜单选ProjectInsertHFSSDesign，则一个新项目自动加入到工程树中，默认名HFSSModel1。同时，在工程树的右侧出现绘图窗口。在工程树中选择HFSSModel1，点右键，选择Rename项，将设计命名为TeeModel。,.,13,第三步：选择求解类型由主菜单选HFSSSolutionType，在弹出对话窗选择DrivenModel项。,.,14,注：HFSS有以下几种解算类型：1、模式驱动（DrivenModel）：这种解算类型计算以模式为基础的S参数。根据波导模式的入射和反射功率表示S参数矩阵的解2、终端驱动（DrivenTerminal）：这种解算类型计算以终端为基础的多导体传输线端口的S参数。此时，根据传输线终端的电压和电流表示S参数矩阵的解。3、本征模（Eignemode）：计算某一结构的本质模式或谐振。本征模解算器可以求出该结构的谐振频率以及这些谐振频率下的场模式。,.,15,第四步：设置单位：由主菜单选3DModelerUnits，在SetModelUnits对话框中选中in项。,.,16,二、创建模型,第一步：创建长方体绘制长方体：在Draw菜单中，点击Box选项按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角）设置长方体的基坐标：x=0,y=-0.45,z=0注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。,.,17,按下Enter键后输入长和宽：dx=2,dy=0.9,dz=0注意:在设定基点后，其后的位置都是相对应基点而言的，因此，要选择相对坐标系。,再按下Enter键后输入高：dx=0,dy=0,dz=0.4,.,18,定义长方体属性：如上设置完几何尺寸后，HFSS系统会自动弹出长方体属性对话框。,对话框的Command页里有我们刚才设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用鼠标建立一个长方体模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。,.,19,单击Attribute页，在Attribute页我们可以为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等参数。这里，我们把这个长方体命名为Tee；点击Transparent（透明度）将其设为0.8。Material（材料）保持为Vacuum。设置完毕后，同时按下ctrl和D键(ctrl+D)，将视图调整一下。,.,20,定义波形端口：按F键转换到面选择状态，选中长方体平行于yz面、x=2的平面；单击右键，选择AssignExcitationWaveport项，弹出WavePort界面，输入名称WavePort1；点Next按钮，点击积分线(IntegrationLine)下的Newline，则提示绘制端口，在绘图区该面的下边缘中部即（2,0,0)处点左键，确定端口起始点，再选上边缘中部即(2,0,0.4)处，作为端口终点。此时，弹出WavePort对话窗，默认设置，点Next，点Finish结束。在工程树中选TeemodeExcitationsWavePort1项,可选中该端口，如图所示,.,21,.,22,第二步：复制长方体设置复制参数：由主菜单选ToolsOptionsHFSSOptions，在弹出对话窗的General页，勾选Duplicateboundarieswithgeometry项，确定。,.,23,复制长方体创建第二部分：展开绘图历史树的ModelVacuumTee节点，右键点击Tee项，选择EditDuplicateAroundAxis，在弹出对话窗的Axis项选择Z，在Angel项输入90deg，在TotalNumber项输入2，点OK，则复制、添加一个长方体，默认名为TEE_1。,.,24,复制长方体创建第三部分：重复以上步骤，在Angel项输入-90，则添加第3个长方体，默认名Tee_2.,.,25,第三步：组合长方体检查设置：由主菜单选ToolsOptions3DModelerOptions，在弹出对话窗的Operation页，确定Clonetoolobjectsbeforeuniting项清空不选。,.,26,组合：按下O键切换到物体选择状态。选中第1个长方体，按下Ctrl键的同时选中第2、3个长方体，由主菜单选3DModelerBooleanUnite，则将三个长方体组合在一起，形成了一个T型接头。,.,27,第四步：创建间隔绘制长方体：任意创建一个长方体。确定位置参数：在属性对话窗口的Command页，在Position项输入-0.45in,offset-0.05in,0in（注意：由于还没有定义offset变量，数据输入时要带上单位in），按下Enter键，则弹出AddVariable对话窗，在Value项输入0in，点OK，回到属性对话窗。调整长方体尺寸：仍然在Command页，在Xsize项输入0.45，Ysize项输入0.1，Zsize项输入.04。,.,28,命名：在Attribute标签页，在Name栏输入Septum，其它不变，点确定完成。,.,29,由T型接头中减去间隔：在历史树中选择Tee项，按下Ctrl键的同时再选中Septum项。由主菜单选3DModelerBooleanSubtract，在弹出对话窗口中，确定Tee在BlankParts列，Septum在ToolParts列（即将间隔从型接头中去掉），点OK完成。,.,30,三、建立并求解,第一步：添加求解设置在工程树中，找到TeeModelAnalysis节点，点右键，选择AddSolutionSetup，弹出对话窗。在General标签页的Solution项输入10，默认单位为GHz，在AdaptiveSolutions的MaximumNumberofPasses项设为3，其它不变，点确定。则在Analysis节点下添加一个求解设置项，默认名为Setup1。,.,31,添加频率扫描：在工程树中的Setup1项上点右键，选择AddSweep，在弹出对话窗中选择Interpolating项，其它具体设置默认不变；在Type栏选择LinearStep，定义频率范围为：810GHz，阶长0.05GHz，点OK完成。则在Setup1节点下增加一个频率扫描项，默认名为Sweep1。,.,32,第二步：确认设置由主菜单选HFSSValidationCheck，则弹出确认检查窗口，对设计进行确认。全部完成且没有错误时，点Close结束。,.,33,第三步：分析由主菜单选HFSSAnalyze，对设计的模型进行三维场分析求解。求解全部完成后，在信息管理区会出现确定信息。,.,34,第四步：移动间隔的位置在工程树的TeeModel项上点右键，选择DesignProperties项。在弹出对话窗的LocalVariables标签页中选择Value项，在Offset参数的Value框输入0.2（即Offset变量的值为0.2)，点确定完成，则在绘图窗更新几何尺寸，如图所示。,.,35,第五步：重新分析在工程树的Analysis项点右键，选择Analyze，重新进行3D场分析求解。,.,36,四、比较结果,第一步：创建一个S参数的矩形曲线图创建结果图：在工程树中的Results项上点右键，选择CreateReport。在弹出对话窗的ReportType列选择ModelSParameters，在DisplayType列选择RectangularPlot，点OK完成，则弹出Traces对话窗。,.,37,设置曲线：选中对话窗中部的Y标签页，在Category列选择Sparameter，在Quantity列，按下Ctrl键的同时，选择S（Port1，Port1）、S（Port1，Port2）、S（Port1，Port3）项，在Function列选择mag。在X标签页，选择UsePrimarySweep项。在Sweeps标签页，选择SweepDesignandProjectvariablevalues，其它默认，点AddTrace，则在上方加入S11、S12、S13参数曲线，点Done完成。则在工程树的Results项下加入该图表项，默认名为XYPlot1，在右侧窗口的矩形图中显示不同间隔S参数曲线，结果如图所示。,.,38,.,39,第二步：创建一个场覆盖图定义间隔的位置：确定Property窗口已经打开，否则由主菜单选择ViewPropertyWindow，显示Property窗口，在工程树中选择TeeModel项，则在工程树下方出现Variables标签页，在Offset变量的Value栏输入：0。,.,40,定义场分布：双击工程树中的TeeModel项，返回绘图窗口，在绘图区点右键，选择SelectFaces项，再点左键选择T型接头的上表面。由主菜单选择HFSSFieldsPlotFieldsMag_E，在弹出对话窗的Solution项选择Setup1：LastAdaptive，其余默认，点Done完成。则在工程树的FieldOverlays节点下加入该图，默认名为Mag_E1，在T型接头的上表面显示场分布情况。,.,41,.,42,修改三维场的绘制属性：在工程树中选择FieldOverlaysEField节点，点右键选择ModifyAttributes，则出现属性对话框，可以设置场的显示类型、数量等参数。,.,43,第三步：动态演示场覆盖图在工程树的Mag_E1上点右键，选择Animate，在弹出对话窗的SweptVariable列选择Phase，定义范围：0160deg，阶长8，点OK完成。在出现Animation对话窗，可以控制演示的进程，包括开始、停止、演示速度、帧顺序等，注意观察场分布的情况，重点比较2、3端口的场分布差异。定义间隔位置并重新演示；在工程树中选择TeeModel项，在Property窗口的Variables标签页中，在Offset变量的Value栏输入：0.2。重新演示，注意观察此时2、3端口的场分布差异，并比较场分布情况和前一个演示有何不同。,.,44,.,45,.,46,.,47,第四步：保存并退出HFSS由主菜单或工具栏选择Save，保存该工程。由主菜单选FileClose，关闭工程。由主菜单选FileExit，退出HFSS软件。,.,48,目标：利用HFSS软件，对T型波导的间隔位置进行优化，使得第3端口的输出功率是第2端口输出功率的2倍。测量各端口的输出功率，观察T型波导的场分布情况。记录最终的结果：间隔位置，2、3端口的输出功率。,第三部分波导腔体内场优化,.,49,一、创建优化工程,第一步：重新命名并保存工程由主菜单选FileOpen，打开第二部分所创建的Ex1_Tee.hfss文件。由主菜单选FileSaveas，保存在自建文件夹内，命名为Ex12_OptimTee.hfss。,.,50,第二步：删除频率扫描在工程树中选择AnalysisSetupSweep1节点，在工具栏点Delete图标，删除Sweep1项。,.,51,二、创建参数分析并进行求解,第一步：添加参数设置在工程树中选Optimetrics项上点右键，选择AddParametrie项，弹出SetupSweepAnalysis对话窗。,.,52,.,53,添加变量扫描定义：在对话窗的SweepDefinitions标签页，点击Add，在新弹出窗口中已经默认调节变量为offset选择Linearstep项，变量范围设为01，阶长为0.1，单位均为in，点击Add，则在窗口右侧加入调节变量及其设置。点OK，则回到SetupSweepAnalysis对话窗，在其中已加入可调变量。保存每个求解变量的场分析结果；在General标签页，选择SaveFields。,.,54,.,55,定义输出变量：在Calculations标签页，点击Add，选择EditCalculation，则弹出OutputVariables对话窗。,.,56,定义Power11变量：在Name栏输入Power11，在Category列选择SParameter，在Quantity列选择S(Port1,Port1)，在Function列选择mag，点击InsertQuantityIntoExpression，则在Expression栏添加mag(S(Port1,Port1)表达式，在式子末尾输入*，再点击InsertQuantityIntoExpression，则表达式改为：mag(S(Port1,Port1)*mag(S(Port1,Port1),点击Add添加，则在对话窗顶部列入输出调节变量Power11及其表达式；,.,57,定义Power21变量：重复以上步骤，在Quantity列选择S(Port2，Port1)，表达式应为mag(S(Port2,Port1)*mag(S(Port2，Port1)；定义Power31变量：重复以上步骤，在Quantity列选择S(Port3，Port1)，表达式应为mag(S(Port3,Port1)*mag(S(Port3，Port1)。点击Done完成定义回到Calculation标签页。,.,58,.,59,添加输出变量计算：回到Calculation标签页后，已经在该页Calculation列的第一行加入Power31变量。点击Add，点击Calcultion列的第二行空白处，在下拉菜单中选择Power21变量，按下Enter键，再点击Add，在第三栏选择Power11变量，按下Enter键，则定义了3个输出变量进行计算。点击确定完成，则新的参数设置自动列入工程树的Optimetrics节点下，默认名为ParametricSetup1。,.,60,.,61,第二步：参数分析求解在工程树中的ParametricSetup1项上点击右键，选择Analyze，对参数设置中变量扫描定义的每一个变量进行3D场分析求解。全部完成后，在信息管理区会出现确定信息。,.,62,三、查看参数结果,第一步：创建S参数与Offset变量的关系曲线图创建结果图：在工程树的Results项点右键，选择CreateReport项。在弹出对话窗的ReportType列选择ModalSParametres，在DisplayType列选择RectangularPlot，点OK完成，则弹出Traces对话窗。,.,63,设置曲线：选择对话窗中部的Y标签页，在Category列选择Sparameter，在Quantity列，按Ctrl键的同时，选择S(Port1,port1)、S(Port1,port2)、S(Port1,port3)项，在Function列选择mag，在X标签页，选择UsePrimarySweep项。在Sweeps标签页，选择SweepDesignandProjectvariablevalues，选中Freq项，在下拉列表中选择offset，点AddTrace，则在上方加入S11、S12、S13参数与offset变量的关系曲线设置，点Done完成。则在工程树的Results项下加入该图表项，默认名为XYPlot1，在右侧窗口的矩形图中显示不同间隔位置时的S参数曲线。,.,64,.,65,第二步：创建功率分配与Offset变量的关系曲线图创建结果图：在工程树的Results项点右键，选择CreateReport项。在弹出对话窗的ReportType列选择ModalSPara-metres，在DisplayType列选择RectangularPlot，点OK完成，则弹出Traces对话窗。,.,66,设置曲线：选择对话窗中部的Y标签页，在Category列选择OutputVariables，在Quantity列，按Ctrl键的同时，选择Power11、Power21、Power31项，在Function列选择none。在X标签页，选择UsePrimarySweep项。在Sweeps标签页，选择SweepDesignandProjectvariablevalues，选中Freq项，在下拉列表中选offset，点AddTrace，则在上方加入Power11、Power21、Power31参数与offset变量的关系曲线设置，点Done完成。则在工程树的Results项下加入该图表项，默认名为XYPlot2，在右侧窗口的矩形图中显示不同间隔位置时的3个端口输出功率曲线。,.,67,由图可知，当间隔位置向2端口移动时，2端口的输出功率逐渐减少，3端口的输出功率变大；当间隔位置超过0.3in时，3端口的输出功率也逐渐变小，1端口功率变大，因此优化范围的最大值可设为0.3in，另外，注意图中间隔为0.1in时，3端口的输出功率为0.65，2端口输出功率为0.32，近似为2倍。提示：选择适当的优化范围，可以极大地减少运算量，节约软件仿真时间，确保结果正确。,.,68,第三步：重新创建一个场覆盖图在工程树中选择FieldOverlays节点下的Mag_E1项，双击，则激活场覆盖图。再在Mag_E1项上点右键，选择Animate，则弹出SelectAnimate对话窗，选择New，在新窗口的SweptVariable标签页的SweptVariable列选择offset，数值默认，点OK完成。则开始自动演示间隔位置为01in时的场分布情况。注意观察随着offset变量的变化，2、3端口的场分布差异。,.,69,.,70,Offset=0in,Offset=0.3in,Offset=0.6in,Offset=0.9in,.,71,四、创建优化分析并进行求解,第一步：选择优化变量由主菜单选HFSSDesignProperties，在弹出对话窗选择Optimization项，在offset栏勾选Include项，点击确定完成。,.,72,第二步：添加优化设置在工程树中的Optimetrics项上点右键，选择AddOptimization，在弹出对话窗的Golds标签页，在Optimizer列选择QuasiNewton项，Max.No.of项默认为1000不变，去掉SaveFields项前的选勾。,.,73,添加成本函数：仍在Goals标签页，点击Add，则在CostFunction表中添加新的一