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Ansoft
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Ansoft 培训班教材
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Ansoft HFSS
HFSS
HFSS
HFSS 在天线设计中的应用
在天线设计中的应用
在天线设计中的应用
在天线设计中的应用
史永康 编写
ykshi@163.com
研发二室 2008.9
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目 录
第一章 序言
第二章
HFSS
概述
第三章 边界条件
第四章 激励
第五章 分析设置
第六章 标准化建模
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序 言
经典的 Maxwell 方程从诞生到现在的一百多年间 ， 还没有出现更伟大的理论成果 。 与电
磁场打交道的前辈们所做的工作都是在这四个方程的框架下进行的 ， 这其中包括电磁场数值
算法 。 随着计算机技术的发展 ， 电磁场数值算法的应用范围越来越广 ， 受关注的程度也越来
越高 ， 其解决问题能力也越来越强 。 开始的时候 ， 人们都是为了解决特定了问题而自己动手
编写程序数值计算程序 ， 这样会花很多时间 ， 而且结果正确与否还有待验证 。 对于工程设计
人员来说 ， 这个过程是极其痛苦的 ， 它额外要求我们成为一个程序员甚至计算机专家 。 直到
仿真软件的出现，我们才得以真正的解脱，它不仅把我们从繁复的编程工作中拯救出来 ， 而
且还大大减少了测试和调试的工作量，让我们把大部分精力集中到如何提高天线性能上去 。
这样看来 ， 仿真软件之于天线设计的重要性就如同人类学会使用工具一样 ， 它的出现是
划时代的 。 至少我们要感谢它改善了天线设计人员的工作环境 。 如果没有它 ， 你可能现在正
在一间黑屋子 （ 简称暗室 ） 里反复调试测试 ， 然后是再加工 ， 再调试测试 ， 重复很多次以后
满头大汗 、 精疲力竭的你才可以得到一个满足指标要求的天线 ， 而不是现在坐在这里听我喋
喋不休。
因此 ， 没有任何理由让我们的设计工作脱离仿真软件 ， 即使你真的具有超强的理论基础
和无与伦比的编程能力。时间对我们来说是一个奢侈品。
现在市面上已经有很多商业的电磁仿真软件，每种软件都与特定的电磁场数值算法相
关。这些算法大致可分为两类，一类是低频算法（全波分析 ） ，这是严格的计算方法，主要
包括有限元算法 （ FEM ） 、 矩量法 （ MOM ） 、 时域有限差分法 （ FDTD ） 以及有限积分法 （ FI ）
；
另一类是高频算法 ， 这是做了很多近似的计算方法 ， 主要包括几何光学法 （ GO ） 、 几何绕射
理论（ GTD ） 、一致性绕射理论（ UTD ） 、物理光学法（ PO ） 、物理绕射理论（ PTD ）等等
。
比较著名的几个软件及其对应的算法如表一所示。
表一 几种电磁仿真软件及其对应的算法
HFSS CST FEKO XFDTD GRASP
FEM FI
MOM ， GO ，
UTD ， PO ， PT D
及混合算法
FDTD
GO ， UTD ， PO
，
PTD
其中 Ansoft 公司的 HFSS(High Frequency Structure Simulator/ 高频结构仿真软件 ) 是最早
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也是最为出色的一个软件 。 这个软件已几乎成为行业标准 ， 它的仿真结果可以代替测试结果
出现在某某项目的方案论证证甚至招标文件中 ， 同样具有说服力 。 做为天线设计人员你说你
不会使用 CST 和 FEKO 不会招人非议，但如果你说你不会使用 HFSS ，那你必须首先自己
感到脸红。
Ansoft 已经替我们做了大多数纯理论研究并将这些研究成果用 HFSS 这个软件表达出
来，这是一个很了不起的工作。重复 Ansoft 的工作如同你一天吃两顿午饭一样没有必要，
除非你第一顿没有吃饱。只有在 Ansoft 无能为力的一些领域允许我们自行做一些事情，当
然这样的机会很少。
如果仿真得到了一个与理论相悖的结果，我们首先想到的是自己建模方面出了问题 ， 而
不是置疑 HFSS 计算的准确性。我们给予 HFSS 完全的信任，它也很少辜负我们的信任 。 个
别情况下它也会出错，这个时候你应该感到开心，因为终于有你发挥的余地了。
我们如此推崇 HFSS 这个软件 ， 而不是别的什么软件 ， 主要有三个方面的原因 ， 一个是
它的准确性 ， 计算准确与否才是判断仿真软件优劣的最基本的依据 。 在我们目前的大部分应
用里这个软件表现是非常出色的 。 第二个是它的全面性 ， 它几乎可以仿真任意三维结构的天
线，也就是说没有它不能仿的。第三个是它的成熟性，做为一个老牌商业电磁场仿真软件
，
它经历了近二十几年 （ 1989~ ） 的发展 ， 根据用户的建议不断完善以及自身算法的不断改进
，
现在已经日趋完美 。 无论从界面的友好性 、 建模的方便性还是后处理的直观性都让用户感觉
非常舒服 ， 更重要的一点是 ， 它可以从仿真结果中提取任意的你想要的数据以帮助你更快更
好地完成天线的设计 ， 这些数据不是简单的驻波或者方向图结果 ， 而是反映天线物理本质的
一些参数 ， 通过这些参数你可以对天线的本质理解的更为深刻 。 举个简单的例子 ， 我们都知
道驻波表现的是天线的阻抗特性 ， 因此我们在进行驻波调试的依据应该是阻抗圆图而不是那
条驻波曲线。认清天线性能后面的物理本质对于天线设计来说是非常重要的。
好吧，说到现在好像我在进行 HFSS 的推销，为了消除这种误解，我们必须也说一 下
HFSS 的一些不足 。 首先由于算法本身的原因 ， 这个软件对于电大尺寸天线的仿真显得有点
捉襟见肘 。 我认为电大尺寸这个说法是相对于计算机硬件而言的 ， 当我们计算机的最大内存
只有 2G 的时候我们可能认为电尺寸十几个波长的天线就是电大尺寸了 ， 而当我们拥有了内
存 16G 的计算机，只有电尺寸在 100 个波长以上的天线才有资格划到电大尺寸天线的行列
里面 。 只要计算机硬件足够强大 ， 理论上 HFSS 是可以计算任意尺寸的天线的 。 计算时间是
另外一回事儿，它需要依赖于 CPU 的运算速度。当然，以上是很理想的一种说法，我们需
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要正视现实 。 如果有人想在办公室里利用 HFSS 计算电尺寸几百个波长的天线 ， 那么劝他还
是要趁早打消这个念头 ， 因为在当前计算机发展水平下 ， 这是不可能完成之任务 ， 需要借助
于采用其他算法的电磁仿真软件或者寻求某些计算中心的帮助 。 如果计算机硬件能够升级从
而使得 HFSS 拥有解决当前问题能力，那么我们很乐意采用这种方式来支持 HFSS ，这样虽
然会牺牲一点仿真时间，但带来的好处是很多的。
第二是宽频带天线 。 HFSS 采用的理论基础是有限元方法 (FEM) ， 这是一种微分方程法
，
其解是频域的 。 所以 ， HFSS 如果想获得频域的解 ， 它必须通过频域转换到时域 。 由于 ， HFS S
是用的是微分方法，所以它对复杂结构的计算具有一定的优势。
是的 ， HFSS 对我们的帮助是如此之大 ， 以至于我们不敢想像失去它我们将怎么开展工
作。即便如此，也不要忘记，在天线设计过程中，起主导作用的永远是人，而不是软件
。
HFSS 只是一个分析软件 ， 它的作用仅限于将工程师的想法进行验证 。 它虽然帮我们做了很
多数值计算方面的工作 ， 简化了我们的设计过程 ， 但一个天线性能的优劣仅仅取决于工程师
对这个天线的理解程度 ， 而不是其他 。 同样一把剑握在不同人的手里就会发挥出不一样的威
力 、 做出不一样的事情 ， HFSS 也一样 。 如果想充分发挥它的作用 ， 需要设计人员具有清晰
的物理概念、大量的设计经验、丰富的想像力还有足够的耐心。
还有一点需要明确的是 ， 软件永远不可能复制现实 。 你在软件里看到的模型只是理想化
的现实 ， 做为一名工程设计人员 ， 你必须清楚理想和现实的差距在哪里 ， 并想办法补偿这些
差距。我们的工作不仅限于一个好的仿真结果，最终产品的测试结果才是我们成绩的体现
，
所以 ， 我们还必须考虑加工材料 、 加工工差以及工作环境这些现实问题 ， 从某种意义上来说
，
这些问题更为重要。
在座的每个人都想成为高手 ， 我也一样 。 高手都是在不停切磋中产生的 。 正好利用今天
这个机会跟大家交流一下自己的想法 ， 分享一下自己的心得 。 因为水平有限 ， 所以如果有什
么错误希望大家及时批评指正，这就可以达到相互学习的目的。
现在，我想我们每个人都在去往高手的路上了。
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