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射频和微波工程实践入门_第1章用HFSS仿真微波传输线和元件.doc
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射频和微波工程实践入门_第1章用HFSS仿真微波传输线和元件.doc
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第一章 用 HFSS 仿真微波传输线和元件........................................................................................0
1.1 Ansoft HFSS 概述.................................................................................................................0
1.1.1 HFSS 简介.................................................................................................................0
1.1.2 HFSS 的应用领域.....................................................................................................1
1.2 HFSS 软件的求解原理........................................................................................................2
1.3 HFSS 的基本操作介绍........................................................................................................3
1.3.1 HFSS 的操作界面和菜单功能介绍.........................................................................3
1.3.2 HFSS 仿真分析基本步骤.........................................................................................4
1.3.3 HFSS 的建模操作.....................................................................................................5
1.4 HFSS 设计实例 1——矩形波导的设计...........................................................................11
1.4.1 工程设置..................................................................................................................11
1.4.2 建立矩形波导模型..................................................................................................12
1.4.3 设置边界条件..........................................................................................................13
1.4.4 设置激励源 wave port.............................................................................................15
1.4.5 设置求解频率..........................................................................................................16
1.4.6 计算及后处理..........................................................................................................16
1.4.7 添加电抗膜片..........................................................................................................19
1.5 HFSS 设计实例 2——E-T 型波导的设计........................................................................24
1.5.1 初始设置..................................................................................................................24
1.5.2 建立三维模型..........................................................................................................25
1.5.3 分析设置..................................................................................................................28
1.5.4 保存工程..................................................................................................................28
1.5.5 分析..........................................................................................................................29
1.5.6 生成报告..................................................................................................................30
1.6 HFSS 设计实例 3——H-T 型波导的设计........................................................................32
1.6.1 创建工程..................................................................................................................32
1.6.2 创建模型..................................................................................................................33
1.6.3 仿真求解设置..........................................................................................................37
1.6.4 比较结果..................................................................................................................39
1.7 HFSS 设计实例 4——双 T 型波导的设计.......................................................................41
1.7.1 初始设置..................................................................................................................41
1.7.2 建立三维模型..........................................................................................................42
1.7.3 分析设置..................................................................................................................45
1.7.4 保存工程..................................................................................................................45
1.7.5 分析..........................................................................................................................45
1.7.6 生成报告..................................................................................................................47
1.8 HFSS 设计实例 5——魔 T 型波导的设计.......................................................................49
1.8.1 建立匹配膜片与金属杆..........................................................................................50
1.8.2 分析设置..................................................................................................................50
1.9 HFSS 设计实例 6——圆波导的设计...............................................................................54
1.9.1 初始设置..................................................................................................................54
1.9.2 建立三维模型..........................................................................................................55
1.9.3 分析设置..................................................................................................................58
1.9.4 保存工程..................................................................................................................58
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1.9.5 分析..........................................................................................................................58
1.9.6 生成报告..................................................................................................................59
1.10 HFSS 设计实例 7——同轴线的设计.............................................................................67
1.10.1 初始设置................................................................................................................67
1.10.2 建立三维模型........................................................................................................68
1.10.3 分析设置................................................................................................................70
1.10.4 保存工程................................................................................................................71
1.10.5 分析........................................................................................................................71
1.10.6 生成报告................................................................................................................72
1.11 HFSS 设计实例 8——微带线的设计.............................................................................79
1.11.1 初始设置................................................................................................................79
1.11.2 建立三维模型........................................................................................................80
1.11.3 建立波导端口激励................................................................................................82
1.11.4 分析设置................................................................................................................83
1.11.5 保存工程................................................................................................................83
1.11.6 分析........................................................................................................................83
1.11.7 生成报告................................................................................................................84
1.11.8 产生场覆盖图........................................................................................................85
1.12 HFSS 设计实例 9——单极子天线的设计.....................................................................87
1.12.1 创建工程................................................................................................................87
1.12.2 创建模型................................................................................................................88
1.12.3 设置变量................................................................................................................92
1.12.4 设置模型材料和边界参数....................................................................................93
1.12.5 设置求解频率和扫描范围....................................................................................96
1.12.6 设置辐射场............................................................................................................96
1.12.7 确认设置并分析....................................................................................................97
1.12.8 显示结果................................................................................................................97
1.13 HFSS 设计实例 10——方形切角圆极化贴片天线的设计.........................................101
1.13.1 设计原理及基本公式..........................................................................................102
1.13.2 创建工程和运行环境设定.................................................................................102
1.13.3 创建模型..............................................................................................................103
1.13.4 求解设置..............................................................................................................103
1.13.5 有效性验证和仿真..............................................................................................104
1.13.6 输出结果..............................................................................................................104
1.13.7 设置变量与参数建模..........................................................................................105
1.13.8 创建参数分析并求解..........................................................................................106
1.13.9 优化求解..............................................................................................................108
1.13.10 输出优化后的结果............................................................................................109
1.14 参考文献.........................................................................................................................112
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第一章 用 HFSS 仿真微波传输线和元件
1.1 Ansoft HFSS 概述
1.1.1 HFSS 简介
Ansoft HFSS ( 全 称 High Frequency Structure Simulator, 高 频 结
构仿 真 器) 是 Ansoft 公司 推出的基于 电磁场有 限 元方法( FEM ) 的 分析微波 工程
问题的三维电磁仿真软件,可以对任意的三维模型进行全波分析求解,先进的材料
类型,边界条件及求解技术,使其以 无以伦比的仿真精度和可靠性,快捷的仿真速
度,方便易用的操作界面,稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构设计
的首选工具和行业标准,已经广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、
通信等多个领域,帮助工程师们高效地设计各种高频结构,包括:射频和微波部件、
天线和天线阵及 天线 罩 , 高 速 互 连 结 构 、 电 真 空 器 件 , 研 究 目 标特 性和 系统 / 部件
的电磁兼容/电磁干扰特性,从而降低设计成本,减少设计周 期,增强竞争力。
美 国 Ansoft 公 司的 HFSS 软 件 是基 于 电 磁 场 有 限 元 算 法, 其 原 理是 将 天 线分
割成若干微小单元进行求解拟合,尤其对电小天线在窄带范围内仿真效果甚佳,缺
点是求解过程复杂,仿真 时间较长,对电长度较 大的电大天线仿真时间会更长,对
宽频带天线的仿真需要将 频率 化分成几 段 进 行仿 真 。 因 此 , Ansoft HFSS 软件是
电长度和频率的精细仿真软件,多用于闭场环境仿真。
相 比 之 下 , 德国 的 CST 软 件是 基 于 电 磁 场有 限 积 分 法 ,适 用 于 电 长 度 较 大的
电大天线的仿真 ,特别适 用于 宽频带天线的 仿真,解算时 间远小 于 HFSS软件,缺
点是解算误 差大 于 HFSS软 件,因此,CST软 件是电 大天线 及宽频带的粗 况仿真,
多用于开场环境仿真。
安捷 伦 公 司 的 ADS 电磁仿 真 软 件 是基于 矩 量 法 解 算的, 将远场电 磁 场 作 平均
处理,适用于电磁场较均匀的电磁环境仿真。由 于没有严格设置辐射边界条件,适
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用于PCB板级及微带线的电磁仿真,对天线的 远场仿真效果较差。
对于天线窄带仿真可将HFSS软件和CST软件两者仿真结果对比进行取舍。
对于天线宽带仿真可先用 CST 软件进行初始粗况仿真定位,再用HFSS 软件进
行精细解算仿真。
1.1.2 HFSS 的应用领域
天线
1、面天线:贴片天线、喇叭天线、螺旋天线
2、波导:圆形/ 矩形波导、喇叭
3、线天线:偶极子天线、螺旋线天线
4、天线阵列:有限阵列天线阵、频率选择表面(FSS)、光子带隙(PBG)
5、雷达散射截面(RCS)
微波
1、滤波器:腔体滤波器、微带滤波器、介质滤波器
2、EMC/EMI :屏蔽罩、近场-远场辐射
3、连接器:同轴连接器、SFP/XFP 、底板、过渡
4、波导:波导滤波器、波导谐振器、波导连接器
5、Silicon/GaSa:螺旋电感器、变压器
信号完整性分析
1、Package Modeling – BGA, QFP, Flip-Chip
2、PCB板:功率/接地面、网格接地,底板
3、Connectors – SFP/XFP, VHDM, GBX, 同轴
通过HFSS可以获取的信息
1、矩阵数据:S、Y、Z参数和VSWR(匹配)
2、相关的场:
2D/3D近场-远场图
电场、磁场、电流(体/面电流)、功率、SAR辐射
3、某空间内的场求解
求解类型:Full-wave
求解原理:3D 有限元法(FEM)
网格类型:等角的
网格单元:正四面体
网格剖分形式:自适应网格 (Adaptive Meshing)
4、激励:端口求解
求解原理:2D-FEM
形式:自适应网格(边界条件)
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1.2 HFSS 软件的求解原理
总体 来 说 , HFSS 软 件 将所要 求 解 的 微波问 题 等 效 为 计算 N 端 口 网络的 S 矩 阵,
具体步骤如下:
将结构划分为有限元网格(自适应网格剖分)
在每一个激励端口处计算与端口具有相同截面的传输线所支持的模式
假设每次激励一个模式,计算结构内全部电磁场模式
由得到的反射量和传输量计算广义S矩阵
图 1.2.1 求解流程图
自适应网格剖分是在误差大的区域内对网格多次迭代细化的求解过程,利用网
格剖分结果来计算在求解频率激励下存在于结构 内部的电磁场。初始网格是基于单
频波长进行的粗剖分,然后进行自适应分析,利用粗剖分对象计算的有限元解来估
计在问题域中的哪些区域其精确解会有很大的误差(收敛性判断),再对这些区域
的四面体网格进行细化(进一步迭代),并产生 新的解,重新计算误差 ,重复迭代
过程(求解—误差分析( 收敛性判断)—自适应 细化网格)直到满足收敛标准或达
到最大迭代步数。如果正在进行扫频,则对其他频点求解问题不再进一步细化网格。
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