第八章HFSS微波仿真

第八章HFSS微波仿真8-1HFSS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8-2HFSS软件系统一、软件设计环境二、基本操作8-1HFSS基本介绍HFSS–HighFrequencyStructureSimulator（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-WaveSpice）；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

8-1HFSS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。AnsoftHFSSv9.2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HFSSv9.2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AnsoftDesigner、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。8-1HFSS基本介绍2005年8月Ansoft公司在美国发布HFSSv10。最新版HFSSv10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。HFSSv10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，HFSSv10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：HFSSv10与SIwavev3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。8-1HFSS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。8-1HFSS基本介绍三、HFSS仿真过程HFSS仿真过程图8-1HFSS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。8-1HFSS基本介绍HFSS设计的新特点精确快速方便易用工程实用—参数化扫描、优化设计、敏感性分析、公差统计电磁场与系统、电路集成协同仿真设计8-1HFSS基本介绍五、HFSS的应用领域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。8-1HFSS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8-1HFSS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。

8-1HFSS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8-1HFSS基本介绍5.高速PCB板和RFPCB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。8-1HFSS基本介绍高速PCB板及背板的设计8-2HFSS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-龄2者H神FS太S软件陡系统一、泊软件静设计仍环境8-使2灭H器FS架S软件垫系统主菜菌单与叠工具码条主菜亏单在年软件寇主窗论口的图顶部绍，包葱括Fi榆le、Ed货it、Pr宋oj塑ec毒t等下术拉菜赞单。工具切条在着主菜馆单的损下一肥行，辉是一适些常飘用设盗置的别图标剥。2.工程帆树工程使树包想括所缸有打塌开的HF直SS工程繁文件怪，每愚个工尺程文惹件一辞般包视括几塔何模显型、必模型趴的边逮界条艰件、眉材料仙定义剂、场象的求解解、扒后处箩理信贩息等郑。工扣程树钩中第菊一个李节点光是工匹程的馋名称痛，默垄认名横一般世为Pr词oj傲ec觉tn，n代表受当前偏打开恼的第n个工委程。8-临2喉H克FS汪S软件难系统导入HF扰SS设计咽后，蹦其下泼加入HF锹SS贫Mo唱de浓ln节点纠，n代表素当前纸加入亲的第n个设洞计，坑在该胀节点悲下包什括模革型的龟所有之特定武数据遥。包挤括：Bo幼un仆da食ri深es：边雷界条象件。春定义犁在问段题区免以及批物体凡表面睡的边聪沿处沃的场艰特性贝，包劈燕括良夜导体历表面泥、阻橡抗表锹面、粪辐射赞表面虾、主产表面怨、从术表面涨、集渔总元锄件表碧面等扑。Ex遭ci雹ta绵ti求on代s：鄙激励走源。泄定义肌某物煮体或笔表面咱的电贺磁场召的源挂以及捕电荷金、电任流、暖电压少等情精况，伟包括让端口挺、集珍总端嘉口、步入射伏端口要、电胳压源腿、电抄流源刘等。Mo罩de滔l：建漫立的袋模型改。8-雨2响H页FS毫S软件嘴系统Me冠sh庙O滴pe棍ra稍ti会on：网愈格设雨置。口定义胜网格终的划纠分，唉即网单格晶兄元。An径al留ys个is：分脖析。绿包括葵求解测设置朵，定杜义软危件如获何计须算求晚解。Op近ti文me码tr烤ic暖s：优站化。中包括敲所有哑优化言设置小。Re托su芹lt愿s：结咱果。帆包括先所有蛾后处惯理生果成的鸭结果吹报告告。Po蚁rt物F恳ie缺ld端D碧is拖pl搭ay：显怀示模苗型的道端口搅场分菌布。Fi姐el廊d耻Ov民er戒la及ys：显坊示某圆物体捕、表叨面的范基本篮或衍提生的拼场分沙布情况温。Ra弊di市at厅io送n：设取置近枯场、脆远场饶。8-驳2冶H妙FS声S软件底系统3.绘图做历史用树、霞绘图今窗绘图横历史推树包辣括绘陕制的董所有黄的几虑何模火型，疲以及细模型惨的编组辑、柴材料叼定义友等。绘图炉历史昏树右蹦侧是不绘图营窗，续在该底区绘约制几饭何模质型。4.属性藏窗属性岁窗显浙示在驾工程页树、犬绘图单历史蝇树或野绘图承区中枪选中滑的某余一项咏的属葱性，盏可以掌进行况编辑侍。在扬属性授窗中统可编肃辑的调参数佳是不闭定的晓，其至标签滑页的灿名称弊也不脑定，偶均由厅所选锣中的犯项的胃类型恨决定鞠。8-巨2壤H秧FS梢S软件赛系统5.信息哭窗信息搁窗显伯示与汗工程躲创建还过程闭相关扩的各甲种信池息，黎例如首工程眠设置群的错连误信宾息、翻分析烦过程丝式的设谈置信宵息等测。6.进程脱窗进程桃窗在幼执行封仿真尘时，许监视墓仿真猾的进业度，涝仿真镰的每翼一步都挺有显示示。8-竟2距H疤FS绪S软件赛系统二、沈基本崭操作1．创救建工荒程从主守菜单可选Fi修le剖\N咳ew，创示建一骗个新江工程;再选Fi签le涌\S霉av响e黎As，则辞以此晚路径胸、名苏称保酬存该燃工程璃。工络程文奸件以维*.hf充ss保存劣。2．模间型视早图模型未视图命有多亭种，亩包括赠移动草、旋衫转、注放大羽、缩外小等趴。移动丈：由死主菜醉单选Vi号ew凶\P刘an，或屈者按租下Sh饲if斜t键同拳时点纠鼠标命左键架移动枝鼠标勉，可爪以移聪动模贷型。8-峡2啦H营FS酷S软件员系统旋转句：由冲主菜烛单选Vi里ew喘\R屋ot奋at缘瑞e，或扫者按祥下Al娘t键的吓同时稍点鼠基标左阳键移葱动鼠厌标，翁可以挽旋转枯模型挪。缩放速：由妹主菜秩单选Vi长ew假\Z挤oo姻m，或垂者同胞时按墙下Al夫t、Sh逼if毙t键，遍点左断键移胡动鼠尾标可巾以放徐大、链缩小泥模型蜘。向根上移甲是放风大视耻图，测向下溪移是箭缩小纺视图娱。适中随显示抚：同刊时按结下Ct晓rl、D键，虾可以拔将模正型适往中示寨。其他特操作多还有Zo光om报I合n、Zo叠om捏O螺ut等。8-健2饶H臂FS举S软件轻系统3．复仗制、耍粘贴由主吸菜单只选Ed详it倾\C雅op膊y掀To优C服li静pb孤oa愈rd，可殖将模角型粘脑贴到骨剪贴板秀，再昆粘贴夏到Wo筒rd、Po屋we践rP仪oi淡nt等基嘴于Wi屈nd疼ow毁s的程皮序中,此操财作也挽可复但制工塞程的张分析吸结果云图。4．各让种HF拔SS文件一个衬*.hf执ss文件块包含朱所有粥与工拖程相裙关的柿文件喘。常条见的骡文件及文亿件夹尊类型警包括坐：de惕si丹gn脱_n错am株e.虎hf夜ss间re芳su士lt懒s：文镰件夹辰，保侍存设反计的秒结果拍数据圾。pr仔oj衔ec柜t_裂na狡me眠.h却fs堆sr县es吓ul嫂ts：文防件夹斤，保预存工弯程的狠结果峰数据悦。Pr托oj睬ec箩t_谱na越me板.a具so侨l：文纸件，城保存同工程体的场惰数据失结果代。如取果求解若不合汁适，递则该评文件闸可能眉为空忌。保少存在pr讯oj勺ec穗t_宿na灰me.hf便ssre麻su叹lt宰s文件爹夹内破。8-密2近H葱FS横S软件沈系统.pj领t：HF剂SS软件8.谦5以及繁更早食版本仔的工生程文朴件。.an坏fp：An妨so领ft的PC孕B中性役文件照。5．导登出文头件由主晶菜单稻选3D算M篇od刑el欺\E晒xp瓣or府t，选上择保垃存路丑径、替命名被，将躲“保钉存类赏型”滑下拉兔列展析开，添选择朋要导毒出的挪文件冰类型硬即可孩。*.s谨m2：二宴维模泄型文电件，丙只包虫含XY平面疼。*.s季at或*.s青m3三维蒜模型闻文件解，前赛者为AC包IS几何肠固态薯模型何文件鸡，后拢者为壤在AC暖IS蜻2.椅0版或饼更高批版本庙中的HF冶SS三维效模型探文件惜。如剃果选利择*.s现m3，则急还要砌选择AC向IS母S愿M3的版温本。图表殃文件欣：包化括*.b眯mp，*.g绸if，*.j冠pe杏g，*.t仪if芦f，*.wr议l等格碧式。8-乓2转H辱FS杯S软件欣系统数据膀列表娘文件仇：*.t柿xt为后虏处理凑格式脚文件岸，*.cs境v为逗菠号分受隔文仓件，姻*.t兆ab为Ta和b键分捡隔文传件，等*.da猪t为曲亩线数巷据文叶件。臭方法往：分奖析出孝结果薯后，灰由主五菜单策选Re迟po痒rt多2D济\E门xp蛇or延t，选录择保汪存路夫径、延命名于，将Sa榴ve否a稿s看ty蜓pe下拉油列展拆开，丹选择抖要导边出的宿文件应类型逝即可名。6．导捆出矩亩阵数叛据在工批程树香的An庭ly尿si额s\趟se汽tu演pn项上都，点仓右键欲，选秃择Ma权tr芒ix棋D封at副a，出老现So颗lu抖ti牙on用D让at蒙a窗，旦默认Ma牙tr太ix畏D乌at够a标签等页。浑选择俭想要疯查看嗽的矩吸阵类匠型，油包括S-肿ma遇tr胆ix，Y-采ma漠tr嘴ix，Z-宣ma详tr姓ix，Ga狼mm误a，Zo等参延数，狂点Ex拴po驰rt。8-荐2顾H叨FS投S软件预系统在弹好出的臭新窗罪口，神选择捎保存碎路径额、命闷名，胶将“蜓保存祸类型劈燕”下