射頻與微波工程實(shí)踐入門-第1章-用HFSS仿真微波傳輸線和元件

第一章用HESS仿直澈波傳輸線和元件0

1.1AnsoftHFSS概述0

l.l.lHFSS簡介0

1.1.2HFSS的應(yīng)用領(lǐng)域1

1.2HFSS軟件的求解原理1

1.3HFSS的根本操作介紹2

1.3.1HFSS的操作界面和菜單功能介紹2

1.3.2HFSS仿真分析根本步驟3

1.3.3HFSS的建模操作4

1.4HFSS設(shè)計(jì)實(shí)例1一一矩形波導(dǎo)的設(shè)計(jì)6

1.4.1工程設(shè)置6

1.4.2建立矩形波導(dǎo)模型6

1.4.3設(shè)置邊界條件7

1.4.4設(shè)置鼓勵(lì)源waveport7

1.4.5設(shè)置求解頻率7

1.4.6計(jì)算及后處理8

1.4.7添加電抗膜片8

1.5HFSS設(shè)計(jì)實(shí)例2——E-T型波導(dǎo)的設(shè)計(jì)9

1.5.1初始設(shè)置9

1.5.2建立三維模型10

1.5.3分析設(shè)置12

1.5.4保存工程13

1.5.5分析13

1.5.6生成報(bào)告14

1.6HFSS設(shè)計(jì)實(shí)例3——H-T型波導(dǎo)的設(shè)計(jì)15

1.6.1創(chuàng)立工程15

1.6.2創(chuàng)立模型16

1.6.3仿真求解設(shè)置18

1.6.4比擬結(jié)果19

1.7HFSS設(shè)計(jì)實(shí)例4——雙T型波導(dǎo)的設(shè)計(jì)20

1.7.1初始設(shè)置20

1.7.2建立三維模型21

1.7.3分析設(shè)置23

1.7.4保存工程23

1.7.5分析24

1.7.6生成報(bào)告24

1.8HFSS設(shè)計(jì)實(shí)例5——魔T型波導(dǎo)的設(shè)計(jì)26

1.8.1建立匹配膜片與金屬桿26

1.8.2分析設(shè)置26

1.9HFSS設(shè)計(jì)實(shí)例6——圓波導(dǎo)的設(shè)計(jì)28

1.9.1初始設(shè)置28

1.9.2建立三維模型29

1.9.3分析設(shè)置31

1.9.4保存工程31

1.9.5分析31

1.9.6生成報(bào)告32

IIOHFSS設(shè)計(jì)實(shí)例7——同釉線的設(shè)計(jì)35

1.10.1初始設(shè)置35

1.10.2建立三維模型36

1.10.3分析設(shè)置37

1.10.4保存工程38

1.10.5分析38

1.10.6生成報(bào)告38

1.11HFSS設(shè)計(jì)實(shí)例8——微帶線的設(shè)計(jì)41

1.11.1初始設(shè)置41

1.11.2建立三維模型42

1.11.3建立波導(dǎo)端口鼓勵(lì)43

1.11.4分析設(shè)置44

1.11.5保存工程45

1.11.6分析45

1.11.7生成報(bào)告45

1.11.8產(chǎn)生場覆蓋圖46

1.12HFSS設(shè)計(jì)實(shí)例9——直■極子天線的設(shè)計(jì)47

1.12.1創(chuàng)立工程47

1.12.2創(chuàng)立模型48

1.12.3設(shè)置變量49

1.12.4設(shè)置模型材料和邊界參數(shù)49

1.12.5設(shè)置求解頻率和掃描范圍50

1.12.6設(shè)置輻射場50

1.12.7確認(rèn)設(shè)置并分析50

1.12.8顯示結(jié)果51

1.13HFSS設(shè)計(jì)實(shí)例10—一方形切角圓極化貼片天線的設(shè)計(jì)52

1.13.1設(shè)計(jì)原理及根本公式52

1.13.2創(chuàng)立工程和運(yùn)行環(huán)境設(shè)定52

M3.3創(chuàng)立模型53

1.13.4求解設(shè)置53

1.13.5有效性驗(yàn)證和仿真54

1.13.6輸出結(jié)果54

1.13.7設(shè)置變量與參數(shù)建模54

M3.8創(chuàng)立參數(shù)分析并求解54

1.13.9優(yōu)化求解55

1.13.10輸出優(yōu)化后的結(jié)果56

1.14參考文獻(xiàn)56

第一章用HFSS仿真微波傳輸線和元件

1.1AnsoftHFSS概述

HFSS簡介

AnsoftHFSS（全稱HighFrequencyStructureSimulator,高頻結(jié)構(gòu)仿真器）

是Ansoft公司推出的基于電磁場有限元方法（FEM）的分析微波工程問題的

三維電磁仿真軟件，可以對任意的三維模型進(jìn)行全波分析求解，先進(jìn)的材料

類型，邊界條件及求解技術(shù)，使其以無以倫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，穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)使其成為

高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航空、航天、電子、

半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、通信等多個(gè)領(lǐng)域，幫助工程師們高效地設(shè)計(jì)各種高頻結(jié)構(gòu)，

包括：射頻和微波部件、天線和天線陣及天線罩，高速互連結(jié)構(gòu)、電真空器

件，研究FI標(biāo)特性和系統(tǒng)/部件的電磁兼容/電磁干擾特性，從而降低設(shè)計(jì)本錢，

減少設(shè)計(jì)周期，增強(qiáng)競爭力。

美國Ansoft公司的HFSS軟件是基于電磁場有限元算法，其原理是將天線

分割成假設(shè)干微小單元進(jìn)行求解擬合，尤其對電小天線在窄帶范圍內(nèi)仿真效

果甚佳，缺點(diǎn)是求解過程復(fù)雜，仿真時(shí)間較長，對電長度較大的電大天線仿

真時(shí)間會(huì)更長，對寬頻帶天線的仿真需要將頻率化分成幾段進(jìn)行仿真。因此，

AnsoftHFSS軟件是電長度和頻率的精細(xì)仿真軟件，多用于閉場環(huán)境仿真。

相比之下，德國的CST軟件是基于電磁場有限積分法，適用于電長度較

大的電大天線的仿真，特別適用于寬頻帶天線的仿真，解算時(shí)間遠(yuǎn)小于HF0

軟件，缺點(diǎn)是解算誤差大于HFSS軟件，因此，CST軟件是電大天線及寬頻帶

的粗況仿真，多用于開場環(huán)境仿真。

安捷倫公司的ADS電磁仿真軟件是基于矩量法解算的，將遠(yuǎn)場電磁場作

平均處理，適用于電磁場較均勻的電磁環(huán)境仿真。由于沒有嚴(yán)格設(shè)置輻射邊

界條件，適用于PCB板級(jí)及微帶線的電磁仿真，對天線的遠(yuǎn)場仿真效果較差。

對于天線窄帶仿真可將HFSS軟件和CST軟件兩者仿真結(jié)果比照進(jìn)行取

舍。

對于天線寬帶仿真可先用CST軟件進(jìn)行初始粗況仿真定位，再用HFSS軟

件進(jìn)行精細(xì)解算仿真。

HFSS的應(yīng)用領(lǐng)域

天線

I、面天線：貼片天線、喇叭天線、螺旋天線

2、波導(dǎo)：圓形/矩形波導(dǎo)、喇叭

3、線天線：偶極子天線、螺旋線天線

4、天線陣列：有限陣列天線陣、頻率選擇外表(FSS)、光子帶隙(PBG)

5、雷達(dá)散射截面(RCS)

微波

1、濾波器：腔體濾波器、微帶濾波器、介質(zhì)濾波器

2、EMC/EMI：屏蔽罩、近場一遠(yuǎn)場輻射

3、連接器：同軸連接器、SFP/XFP、底板、過渡

4、波導(dǎo)：波導(dǎo)濾波器、波導(dǎo)諧振器、波導(dǎo)連接器

5、Silicon/GaSa：螺旋電感器、變壓器

信號(hào)完整性分析

1、PackageModeling-BGA,QFP,Flip-Chip

2、PCB板：功率/接地面、網(wǎng)格接地，底板

3、Connectors-SFP/XFP,VHDM,GBX,同軸

通過HFSS可以獲取的信息

I、矩陣數(shù)據(jù)：S、Y、Z參數(shù)和VSWR(匹配)

2、相關(guān)的場：

2D/3D近場一遠(yuǎn)場圖

電場、磁場、電流(體/面電流)、功率、SAR緇射

3、某空間內(nèi)的場求解

求解類型：Full-wave

求解原理：3D有限元法(FEM)

網(wǎng)格類型：等角的

網(wǎng)格單元：正四面體

網(wǎng)格剖分形式:自適應(yīng)網(wǎng)格(AdaptiveMeshing)

4、鼓勵(lì)：端口求解

求解原理：2D-FEM

形式：自適應(yīng)網(wǎng)格(邊界條件)

HFSS軟件的求解原理

總體來說，HFSS軟件將所要求解的微波問題等效為計(jì)算N端口網(wǎng)絡(luò)的S

矩陣，具體步驟如下：

將結(jié)構(gòu)劃分為有限元網(wǎng)格(自適應(yīng)網(wǎng)格剖分)

在每一個(gè)鼓勵(lì)端口處計(jì)算與端口具有相同截面的傳輸線所支持的模

式

?假設(shè)每次鼓勵(lì)一個(gè)模式，計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)全部電磁場模式

?由得到的反射量和傳輸量計(jì)算廣義S矩陣

圖1.2.1求解流程圖

自適應(yīng)網(wǎng)格剖分是在誤差大的區(qū)域內(nèi)對網(wǎng)格屢次迭代細(xì)化的求解過程，

利用網(wǎng)格剖分結(jié)果來計(jì)算在求解頻率鼓勵(lì)下存在于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電磁場。初始

網(wǎng)格是基于單頻波長進(jìn)行的粗剖分，然后進(jìn)行自適應(yīng)分析，利用粗剖分對象

計(jì)算的有限元解來估計(jì)在問題域中的哪些區(qū)域其精確解會(huì)有很大的誤差(收

斂性判斷)，再對這些區(qū)域的四面體網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化(進(jìn)一步迭代)，并產(chǎn)生新

的解，重新計(jì)算誤差，重復(fù)迭代過程(求解一誤差分析(收斂性判斷)一自

適應(yīng)細(xì)化網(wǎng)格)直到滿足收斂標(biāo)準(zhǔn)或到達(dá)最大迭代步數(shù)。如果正在進(jìn)行掃頻，

那么對其他頻點(diǎn)求解問題不再進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格。

圖.2自適應(yīng)網(wǎng)格〔總體與局部)

HFSS的根本操作介紹

.1HFSS的操作界面和菜單功能介紹

AnsoftHFSS的界面主要包括：菜單欄(Menubar)、工具欄(Toolbars)、

工程管理(ProjectManage)窗口、狀態(tài)欄(Statusbar)屬性窗口(Properties

window)、進(jìn)度窗口(Progresswindow)、信息管理(MessageManage)窗

口和3D模型窗口(3DModelerWindow)。

圖.1AnsoftHFSS的操作界面

菜單欄(Menubar)

由文件、編輯、視圖、工程、繪圖、3D模型、HFSS、工具和幫助等下拉式菜

單組成。

工具欄(Toolbar)

對應(yīng)菜單中常用的各種命令，可以快速方便的執(zhí)行各種命令。

工程管理(ProjectManage)

窗口顯示所以翻開的HFSS工程的詳細(xì)信息，包括邊界、鼓勵(lì)、剖分操作、分

析、參數(shù)優(yōu)化、結(jié)果、端口場顯示、場覆蓋圖和輻射等。

狀態(tài)欄(Statusbar)

位于HFSS界面底部，顯示當(dāng)前執(zhí)行命令的信息。

屬性窗口(Propertieswindow)

顯示在工程樹、歷史樹和3D模型窗口中所選條目的特性或?qū)傩浴?/p>

進(jìn)度窗口(Progresswindow)

監(jiān)視運(yùn)行進(jìn)度，以圖像方式表示進(jìn)度完成比例。

信息管理(MessageManage)

窗口顯示工程設(shè)置的錯(cuò)誤信息和分析進(jìn)度信息。

3D模型窗口(3DModelerWindow)

是創(chuàng)立幾何模型的區(qū)域，包括模型視圖區(qū)域和歷史樹(記錄創(chuàng)立模型的過程)。

HFSS仿真分析根本步驟

1、創(chuàng)立工程及運(yùn)行環(huán)境(Createprojectandsetoperatingenvironment)：

根本的包括創(chuàng)立新工程、插入新設(shè)計(jì)、修改工程和設(shè)計(jì)名、設(shè)置繪圖單位和

求解類型等；

*2、創(chuàng)立模型(Drawageometricmodel)：通過使用各種繪圖命令，建立與

實(shí)際模型對應(yīng)的仿真模型結(jié)構(gòu)，并設(shè)置求解空間和邊界條件〔各種端口豉勵(lì)

和輻射邊界等)；

3、確定模型設(shè)計(jì)參數(shù)的變量(Assignvariablestoamodel'sdesign

parameters)：建立變量來代替模型中的位置和尺寸參數(shù)，這有利于調(diào)整模

型的結(jié)構(gòu)，建立起模型各個(gè)參數(shù)之間的聯(lián)系，也是進(jìn)行后期參數(shù)分析、優(yōu)化

的必要前提；

學(xué)4、求解設(shè)置(Specifysolutionsettingsforadesign)：求解設(shè)置包括指定

求解的頻率，求解的迭代步數(shù)和求解結(jié)束的條件，另外如果要考察模型隨頻

率變化的特性，還需要設(shè)置相應(yīng)的掃頻項(xiàng)；

5＞設(shè)計(jì)驗(yàn)證(Validateadesign'ssetup):經(jīng)過上面的步驟,一個(gè)完整的分

析模型就建立起來了，不過在分析之前我們應(yīng)該檢查模型的正確性與完整性，

快捷工具立可以幫助我們完成模型的檢測，并給出錯(cuò)誤提示，以便我們進(jìn)行

修改更正；

*6、運(yùn)行HFSS仿真(RunanHFSSsimulation):點(diǎn)擊工具欄中的幽圖標(biāo)進(jìn)

行仿真，仿真的時(shí)間由模型的大小、計(jì)算機(jī)性能以及求解項(xiàng)的設(shè)置有關(guān)，這

過程中我們可以多線程工作；

*7、創(chuàng)立圖表結(jié)果(Createreportresults)：仿真結(jié)束，我們要查看模型的

各種性能參數(shù)，HFSS為我們提供了豐富的參數(shù)類別和圖標(biāo)形式，可以創(chuàng)立不

同的圖表來描述仿真的結(jié)果；

8、參數(shù)掃描與變量優(yōu)化(Parametricsweepandoptimization)：當(dāng)我們要

考慮不同參數(shù)變量對天線性能的影響以及需要綜合優(yōu)化天線性能時(shí)，HFSS也

給我們提供了參數(shù)掃描和優(yōu)化的功能。

注：帶字號(hào)的是必要步驟

.3HFSS的建模操作

1、啟動(dòng)軟件

2、設(shè)置求解模式

在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS,選擇SolutionType.會(huì)出現(xiàn)下面的對話框：

圖設(shè)置求解模式

(1)鼓勵(lì)求解：用HFSS計(jì)算無源、高頻結(jié)構(gòu)的S參數(shù)時(shí)，可選擇鼓勵(lì)求解類型，例如微帶、

波導(dǎo)、傳輸線結(jié)構(gòu)。S矩陣解被表示為波導(dǎo)的入射功率及反射波功率。

(2)鼓勵(lì)終端求解：用HFSS計(jì)算多導(dǎo)體傳輸線端口的S參數(shù)時(shí)，可以選擇鼓勵(lì)終端求解類

型。S矩陣解將由終端電壓和電流來描述。

(3)本征模求解：計(jì)算結(jié)構(gòu)的本征?；蛑C振時(shí)，可選擇本征模求解類型。本征模解法可算

出結(jié)構(gòu)的諧振頻率及在這些諧振頻率處對?應(yīng)的場，也可計(jì)算諧振腔體的無我Q值。

3、設(shè)置單位

在菜單欄里點(diǎn)擊3DModeler選擇Unites：

圖設(shè)置單位

4、繪制圖形

一維的有直線、折線、曲線。也可以創(chuàng)立由曲線方程畫出所需要的圖形。

二維的有：

圖繪制二維圖形

在這里也能畫出由某個(gè)曲面方程所要求的面。

三維最根本的有：

圖繪制三維圖形

5、圖形的變換

當(dāng)然，實(shí)際需要中所遇到的不止限于以上模型，我們也可以通過很多變換的手法來畫出

我們需要的3D圖形。

單擊菜單欄的Edit

Arrange

Move-Translatesthestructurealongavector

Rotate-Rotatestheshapearoundacoordinateaxisbyanangle

Mirror-Mirrorstheshapearoundaspecifiedplane

Duplicate

AlongLines-Createmultiplecopiesofanobjectalongavector

AroundAxis-Createmultiplecopiesofanobjectrotatedbyafixedanglearoundthex,y,orz

axis

Mirror-Mirrorstheshapearoundaspecifiedplaneandcreatesaduplicatc

6.圖形的布爾操作

幾種布爾操作：

Unite-combinemultipleprimitives

圖合并操作

Subtract-removepartofaprimitivefromanother

圖相減操作

Split-breakprimitivesintomultipleparts

操作前操作后

圖分裂操作

Intersect-keeponlythepartsofprimitivesthatoverlap

圖相交操作

Sweep-turna2Dprimitiveintoasolidbysweeping:AlongaVector.AroundanAxis,Alonga

Path

操作前操作后

圖Sweep操作

Connect-connect2Dprimitives.UseCoverSurfacestoturntheconnectedobjectintoasolid

操作的操作后

圖連接操作

Section-generate2Dcross-sectionsofa3Dobject

7、視角的變換

用以下命令你在創(chuàng)立模型的過程中，可以隨時(shí)改變視角

Rotate-Thestructurewillberotatedaroundthecoordinatesystem

Pan-Thestructurewillbetranslatedinthegraphicalarea

DynamicZoom-Movingthemouseupwardswillincreasethezoomfactorwhilemovingthe

mousedownwardswilldecreasethezoomfactor

ZoomIn/Out-Inthismocearubberbandrectanglewillbedefinedbydraggingthemouse.After

releasingthemousebuttonthezoomfactorwillbeapplied.

圖改變視圖操作快捷方式

快捷鍵:

ALT+Drag=Rotate

Shift+Drflg=Pan

ALT+Shift+Dra^-DynamicZoom

另外，用鼠標(biāo)在3D窗口中右點(diǎn)擊也可以實(shí)現(xiàn)視角的轉(zhuǎn)變。

在模型創(chuàng)立完畢后，我們?yōu)榱朔奖阋院蟮恼{(diào)試，可以對模型設(shè)置變量并進(jìn)行優(yōu)化，對它的具

體操作我們會(huì)在下面的仿真實(shí)例中詳細(xì)講解。

HFSS設(shè)計(jì)實(shí)例1——矩形波導(dǎo)的設(shè)計(jì)

.1工程設(shè)置

翻開HFSS,出現(xiàn)新的工程窗口(如圖.1)。

圖.1H「SS工程窗口

(1)設(shè)置求解類型DrivenModal(模式鼓勵(lì))。

在菜單中點(diǎn)擊HFSS>Solu:ionType,出現(xiàn)SolulionType窗口，選擇DrivenModal(如圖.2),

點(diǎn)擊OK。

圖.2設(shè)置求解類型窗口

(2)設(shè)置模型單位亳米

在菜單欄中點(diǎn)擊Modeler>Uniis,出現(xiàn)SetModelUnits窗口,選擇mm,點(diǎn)擊OK(如圖.3)。

圖.3設(shè)置模型單位窗口

(3)保存工程命名為waveguide

點(diǎn)擊工具欄中的S,將工程名字設(shè)為waveguide,

建立矩形波導(dǎo)模型

(1)畫長方體

點(diǎn)擊工具欄中的@(Drawbox)畫矩形波導(dǎo)的長方體模型，在屏幕右下角出現(xiàn)長方體頂點(diǎn)

信息，輸入頂點(diǎn)坐標(biāo)如圖4按回車鍵；屏幕右下角出現(xiàn)長方體尺寸信息，輸入如圖，按

回車鍵結(jié)束畫圖過程。

圖.4長方體頂點(diǎn)坐標(biāo)

圖.5長方體尺寸設(shè)置

在屏幕右側(cè)窗口顯示畫出的長方體；點(diǎn)擊工具⑥，將長方體全部顯示在窗口中。

(2)設(shè)置長方體屬性

在屏幕中間模型列表中的Boxl為畫出的長方體(如圖6,雙擊Boxl,出現(xiàn)Propoties:Project1

窗口,將Name一欄的value由Boxl改為waveguideo

圖.6設(shè)置長方體屬性

設(shè)置邊界條件

(I)選擇波導(dǎo)的四個(gè)縱向面。

通過Edil>select>faces,將鼠標(biāo)設(shè)置為選擇面的狀態(tài)(如圖.7)。

通過按鈕J(旋轉(zhuǎn)功能)以及Ctrl鍵實(shí)現(xiàn)選擇多個(gè)面，或者通過edit>select>byname(如

圖.8),結(jié)合chi鍵選中facelO、11、12、9(如圖.9)。

(2)將這四個(gè)面設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界。

可以通過點(diǎn)擊HFSS>Boundaries>Assign>PerfectE實(shí)現(xiàn)，或者點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵,Assign

Boundary>PerfectE(如圖.10)。

圖.7seIectfaces界面

圖.8selectbyname界面

圖.9selectface界面

圖.10設(shè)置PerfectE邊界條件

設(shè)置鼓勵(lì)源waveport

(1)選中波導(dǎo)的一個(gè)端口面(垂直于z軸的平面)。

(2)點(diǎn)擊HFSS>Excitaiions>Assign>Waveport,或者點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵〉assignexci(ation>wave

port(如圖.11)。

(3)另外一個(gè)端口面執(zhí)行同樣的操作。

圖.11設(shè)置waveport界面

設(shè)置求解頻率

(1)在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>AnalysisSetup>AddSolutionSetup

(2)在求解設(shè)置窗口中,??SolutionFrequency：13Ghz>其它設(shè)為默認(rèn)值

計(jì)算及后處理

在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Analyzeall

(1)畫場分布圖

在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Fields>PlotFields>E,畫出電場強(qiáng)度的幅度分布(如圖.12)。

在ProjectManager窗口中，選擇dipole>HFSSDesignI>FieldOverlays,點(diǎn)擊鼠標(biāo)右

?>Anima(e>OK,可以演示電場強(qiáng)度幅度隨著時(shí)間變化情況，觀察理解電磁波從端口I向端

口2傳播的過程。

圖.12波導(dǎo)中電場強(qiáng)度幅度分布

(2)觀察數(shù)據(jù)結(jié)果

點(diǎn)擊HFSS>Results>SolutionData(如圖.13),在MatrixData項(xiàng)中可以查看S參數(shù)以及傳播

常數(shù)Gamma等參數(shù)(如圖.14)。

圖.13查看solutiondata界面

圖.14S參數(shù)及Gamma

添加電抗膜片

本例以bj-100為例,height二，width=,采用單模傳輸，主模頻率范圍8.20~12.5Ghz,。

(1)感性膜片

如下圖，感性膜片跨接在波導(dǎo)窄邊上。對主模HK>,其磁場線是平行于寬邊的閉合曲線，感

性膜片的置入將改變波導(dǎo)內(nèi)磁場的分布規(guī)律而產(chǎn)生電感效應(yīng)，相當(dāng)于在傳輸線上并聯(lián)一個(gè)感

性電納。設(shè)置感性腴片的間距為16mm。

圖感性膜片結(jié)構(gòu)

圖S參數(shù)幅度隨頻率變化的曲線

圖S參數(shù)

圖場分布圖

(2)容性膜片

如F圖，容性膜片跨接在波導(dǎo)寬邊上。對主模Hio，E=iyEy,容性膜片可改變波導(dǎo)內(nèi)的電

場分布規(guī)律而產(chǎn)生電容效應(yīng)，相當(dāng)于在橫截面處并接一個(gè)電容器。設(shè)置容性膜片的間距為

4mrno

圖容性膜片結(jié)構(gòu)

圖S參數(shù)幅度隨頻率變化的曲線

圖S參數(shù)

圖場分布圖

(3)諧振窗

容性膜片和感性膜片組合形成諧振窗。諧振窗對某一固定頻率產(chǎn)生諧振，即當(dāng)工作頻率等于

諧振頻率時(shí)，電磁波可以無反射地通過，其等效電路相當(dāng)于并聯(lián)諧振回路。設(shè)置感性膜片的

間距為16mm,設(shè)置容性膜片的間距為4mm。

圖諧振窗結(jié)構(gòu)

S參數(shù)幅度隨頻率變化的曲線

圖S參數(shù)

圖場分布圖

HFSS設(shè)計(jì)實(shí)例2——E-T型波導(dǎo)的設(shè)計(jì)

本例以bj-100為例，height=l0.160mm,width=22.860mm,采用單模傳輸，主模頻率范圍

8.20~12.5Ghz,衰減頻率9.84Ghz。

初始設(shè)置

一)啟動(dòng)AnsoftHFSS

點(diǎn)擊微軟的開始按鈕,選擇程序，然后選擇AnsoftHFSS11程序組，點(diǎn)擊HFSS11,進(jìn)入Ansoft

HFSS.

1.設(shè)置工具選項(xiàng)

注意：為了按照本例中概述的步驟，應(yīng)核實(shí)下工具選項(xiàng)已設(shè)置;

2.選擇菜單中的tools>options>HFSSOptions

3.HFSS選項(xiàng)窗口：

1)點(diǎn)擊常規(guī)(General)標(biāo)簽

a.建立新邊界時(shí)，使用數(shù)據(jù)登記項(xiàng)的向?qū)?即在boundaryoptions中的Usewizardsfordata

entrywhencreatingnewboundaries)：勾上

b.用幾何形狀復(fù)制邊界(duplicaleboundarieswilhgeometry)：勾上

2)點(diǎn)擊ok按鈕。

4.選擇菜單中的工具(tools)>options>modeleroptions

5.3Dmodeleroptions：

1)點(diǎn)擊operation標(biāo)簽

自動(dòng)覆蓋閉合的多段線(automaticallycoverclosedpolylines)：勾上。

2)點(diǎn)擊而圖(drawing)標(biāo)簽

編輯新建原始結(jié)構(gòu)的屬性(edilpropelryofnewprimitives)：勾上。

3)點(diǎn)擊ok按鈕

二)打工一個(gè)新工程

1.在窗口，點(diǎn)擊標(biāo)準(zhǔn)工具欄中的新建圖標(biāo)，或者選擇菜單中的file〉new.

2.或者從工程(project)菜單中選擇insertHFSSdesign.

三)設(shè)置解決方案類型(setsolutiontype)

I.選擇菜單中的HFSS>solutiontype

2.解決方案類型窗口：

1)選擇模式驅(qū)動(dòng)(drivenmodal)

2)點(diǎn)擊ok按鈕。

1.5.2建立三維模型

一)模型單位設(shè)置：

1)選擇菜單項(xiàng)：modeler>units

2)選擇模型單位：mm

3)點(diǎn)擊確定

二)選擇缺省材料(即模型內(nèi)填充物)

用三維模型材料工具欄，選擇真空

vacuum▼Model▼

即在右上角的I—11—1

三）創(chuàng)立頂臂1

1.建立頂臂：

1）選擇菜單項(xiàng)：draw>boxdraw

2）選擇起始位置（軟件右下角輸入，絕對坐標(biāo)）：X：11.430Y：-5.080Z：-5.080回車

3〕選擇相對坐標(biāo)：（IX：-22.860Dy：10.160Dz：33.020回車

圖建立項(xiàng)臂

2.重命名：從材料窗口選擇屬性平臺(tái)；

1）名字的命名類型：ARM

2）點(diǎn)擊確定

3.適合觀看的調(diào)整：

1）選擇菜單項(xiàng)：view>firall>activevicwvicw.或者ctrl+d鍵

四）創(chuàng)立臂2：

1.選擇菜單項(xiàng)：edil>selectallvisableedit或者ctrll+A

2.選擇菜單項(xiàng):edit>duplicate>aroundaxisedit選擇以x為軸，旋轉(zhuǎn)90度,數(shù)目

3.點(diǎn)擊確定鍵

4.適合觀看的調(diào)整：選擇菜單項(xiàng)：view>fitall>activeview或者ctrll+d

五）建立臂3：

I.選擇物體框：（1）選擇物體臂1；（2）點(diǎn)擊確定

2.建立臂3和4；

1）edit>duplicale>arounjaxis

2）以z為軸旋轉(zhuǎn)180度，總數(shù)為二個(gè)，點(diǎn)擊確定鍵

六）連接各個(gè)臂：

1.連接各個(gè)臂：

1）選擇菜單項(xiàng):edit>selectallvisible：或者按ctrl+A鍵

2）選擇菜單項(xiàng)：modeler>boolean>unitc

圖連接各個(gè)臂

七）建立波導(dǎo)端口鼓勵(lì)

1.選擇端口面:

1）選擇菜單項(xiàng)：edit>select>faces

2）選擇頂部的面

2.設(shè)計(jì)波端口鼓勵(lì)：

1）選擇菜單項(xiàng)：HFSS>EXCITATIONS>ASSIGN>waveport

2）波端口：general名字：pl點(diǎn)擊next鍵

3）波端口：models點(diǎn)擊next鍵；點(diǎn)擊結(jié)束鍵

4）以此類推，設(shè)置另外兩個(gè)端口鼓勵(lì)p2,p3.注意p2,p3的端口電場方向

注：雖然將三個(gè)端口都設(shè)置為了鼓勵(lì)，但是系統(tǒng)默認(rèn)的是第?個(gè)鼓勵(lì)端口有輸入功率，其他

端口無鼓勵(lì)輸入，如果需要設(shè)置，可在HFSS>ficlds>editsources中修改設(shè)置，如果不設(shè)置鼓

勵(lì)的話，系統(tǒng)會(huì)默認(rèn)端II為理想的電邊界；

注意：兩個(gè)設(shè)置的wavepori的電場方向可能不是一致的，會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果,所以在設(shè)置

完鼓勵(lì)后需檢查一下他們的電場方向，如果不對或者不清楚就自己設(shè)定電場的積分線。具體

步驟如下：

找到軟件左邊的projectmanager窗口，在樹狀結(jié)構(gòu)中找到excitationsA，分別雙擊pl,

p2,選擇modes,點(diǎn)擊integtationline下的項(xiàng),選擇newline,這時(shí)將鼠標(biāo)移動(dòng)到設(shè)計(jì)窗口

中的pl,p2面上自行設(shè)置積分線方向，注意兩個(gè)積分線應(yīng)保持方向一致。

1.5.3分析設(shè)置

一）建立分析設(shè)置：

1.建立一個(gè)分析設(shè)置：

1）選擇菜單項(xiàng)：HFSS>ANALYSISSETUP>ADDSOLUTIONSETUP

2.完成設(shè)置窗口：點(diǎn)擊綜合表

1）設(shè)置頻率：9.84GHZ

2）設(shè)置最多步數(shù)：5

3）設(shè)置步長為0.02

3.點(diǎn)擊確定鍵

二）（選作項(xiàng)）增加一個(gè)頻率掃描

1.選擇菜單項(xiàng)：HFSS>analysissetup>addfrequencysweep

2.選擇設(shè)置：setup1；

3.點(diǎn)擊確定鍵

三）編輯掃頻窗口：

1.掃頻類型：fast

2.掃頻設(shè)置類型：linearcount,起始頻率8.20ghz,結(jié)束頻率I2.5ghz,計(jì)數(shù)1001次,選上

保存場。

3.點(diǎn)擊確定鍵

1.5.4保存工程

一）保存工程：

1.在HFSS軟件窗口選擇菜單項(xiàng)file>saveas

2.從saveas窗口鍵入文件名：hfss_magic_t

3.點(diǎn)擊保存鍵

1.5.5分析

一）模型確認(rèn)

1.詵擇菜單項(xiàng):HFSS>Validationcheck

2.點(diǎn)擊關(guān)閉鍵。注意有任何錯(cuò)誤和警告信息，請使用信息管理器

二）分析

1.選項(xiàng)菜單項(xiàng):HFSS>analysis

三）求解數(shù)據(jù)

觀看求解數(shù)據(jù)：選擇菜單項(xiàng)：HFSS>results>solutiondata

觀看s矩陣值matix：點(diǎn)擊

圖S矩陣

和理論上E-T的S矩陣根本一致。

點(diǎn)擊關(guān)閉鍵

1.5.6生成報(bào)告

一）產(chǎn)生s參數(shù)圖，和適應(yīng)性傳輸

1.注意報(bào)告在求解過程之前或者之中，一個(gè)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)會(huì)呈現(xiàn)。

2.產(chǎn)生報(bào)告：

注意報(bào)告在求解過程之前或者之中，一個(gè)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)會(huì)呈現(xiàn)

I.產(chǎn)生報(bào)告：

1）選擇菜單項(xiàng)：HFSS>resul（s>createmodelsolutiondatareport；

2）產(chǎn)生報(bào)告窗口：報(bào)告類型：modalsparameters；顯示類型：rectangula；

點(diǎn)擊確定鍵

2.描述窗口：

1）求解：setup1：adaptive1

2）點(diǎn)擊x項(xiàng)，freq：種類：all

3）點(diǎn)擊y項(xiàng)：種類：sparameter；M：s（pl>pl）>s（pl>p2）,s（pl,p3）；單位：db：

點(diǎn)擊增添極限

4）點(diǎn)擊完成鍵

二）產(chǎn)生s參數(shù)圖

1產(chǎn)生一個(gè)報(bào)告：

1）菜單項(xiàng)：HFSS>：Rcsults>crcatcreport

2）產(chǎn)生報(bào)告窗口：報(bào)告類型：modalsparameters；顯示類型：rectangular；點(diǎn)擊確定鍵

3）描述窗口：求解：setupI：sweep1；范圍：掃頻；選擇y項(xiàng)：類型s參數(shù)；量：s（pl,

pl）,s（pl,p2）?s（pl,p3））；單位：db；點(diǎn)擊addtrace鍵

4）點(diǎn)擊完成鍵

圖S參數(shù)圖

三）產(chǎn)生場覆蓋圖

1.選擇一個(gè)物體：

I）選擇菜單項(xiàng)：edit>select>hyname

2）選擇菜單項(xiàng)：HFSS>fields>fields>e>mag_e

3）產(chǎn)生場圖窗口:求解：setup1：lasiadapiive；量：mag_e；體積:all；點(diǎn)擊完成鍵

2.修正場圖的屬性：

1）選擇菜單項(xiàng)：HFSS>fields>modifyplotattributes

2）選擇場文件窗口：選擇efield：點(diǎn)擊確定鍵。

3）e-field窗口；點(diǎn)擊colormap項(xiàng)，推薦選擇spetruni中的rainbow項(xiàng)，然后雙擊樹狀欄

中

一夕Solids

--vacuum

國）

+憶CoordinateSyst

+每Planes

E怒Lists

的boxl,點(diǎn)擊transparenl的值，1為透明，0為全覆蓋，自行設(shè)置；

點(diǎn)擊plol項(xiàng)；isovallype：isovalsurface；點(diǎn)擊叩ply鍵

4）點(diǎn)擊close鍵

圖場覆蓋圖

3.場圖顯示：顯示一個(gè)全面的場圖

1）選擇菜單項(xiàng):view>animate

2）在掃頻變量項(xiàng)：選擇默認(rèn)設(shè)置；掃頻變量：phase：開始：Odeg；結(jié)束：180deg；步數(shù):

9

3）點(diǎn)擊確定鍵

1.6HFSS設(shè)計(jì)實(shí)例3——H-T型波導(dǎo)的設(shè)計(jì)

此例子是建立一個(gè)T型波導(dǎo)模型，利用HFSS軟件求解、分析、觀察T型波導(dǎo)的場分

布情況。該例根本包括HFSS所有主要設(shè)計(jì)流程，其設(shè)計(jì)步驟如下：

1.6.1創(chuàng)立工程

（1）翻開HFSS并保存新工程

運(yùn)行HFSS軟件后，軟件自動(dòng)創(chuàng)立一個(gè)新工程即Projectl,并包含一個(gè)名稱為

HFSSDesignl的設(shè)計(jì)。由主菜單項(xiàng)選擇File>Save保存在用戶設(shè)定的路徑及文件夾內(nèi)，并重

新命名為T_waveguide。

(2)重新命名HFSS設(shè)計(jì)

在工程樹中選擇HFSSDesignl,點(diǎn)擊右健，選擇Renamne項(xiàng)，將設(shè)計(jì)命名改為

T_waveguide_design1。整個(gè)工程設(shè)計(jì)窗口如圖顯示。

圖.1工程設(shè)計(jì)窗口

圖.2設(shè)置求解類型

(3)選擇求解類型

主菜單中選擇HFSS〉SoluiionType,在彈出對話框中選擇DrivenModal項(xiàng)，如圖所示。

(4)設(shè)置單位

主菜單中選3DModeler>Units,在SetMedelUnits對話框中選擇in項(xiàng)。

1.6.2創(chuàng)立模型

(1)創(chuàng)立長方體

繪制一個(gè)長方體：主菜單中選Draw〉Box或在工具欄中點(diǎn)擊工具按鈕?，按下Tab鍵

切換到參數(shù)設(shè)置區(qū)(在工作區(qū)的右下角)，長方體的基坐標(biāo)(x,y,z)為數(shù)據(jù)輸入時(shí)

用Tab鍵左右移動(dòng)，按KEnter鍵確認(rèn)后，輸入長方體的長和寬(dx,dy,,0),再按下Enter鍵

確認(rèn)，輸入高度(0,0,0.4),再按下Enter鍵確認(rèn)。注意：在設(shè)置未全部完成時(shí)不要在繪圖

區(qū)中點(diǎn)擊鼠標(biāo)！

，提高透明度。設(shè)置完畢后按CM+D鍵，將長方體適中顯示，如圖(a)所示。

(a)(b)

E-3所建長方體；〔b〕設(shè)置波端口

定義波形端口：按下F鍵轉(zhuǎn)換到面選擇狀態(tài)，選中長方體平行于YZ面、x=2的平面,

再點(diǎn)右鍵，選擇AssignExcitation>WavePort項(xiàng)，彈出WavePort設(shè)置對話框，輸入名稱

WavePorll,點(diǎn)擊Next；點(diǎn)擊IntegralionLine項(xiàng)選Newline,那么提示繪制端口，在繪圖區(qū)

該面的下邊緣中部即(2,0.0)處點(diǎn)左鍵，確定瑞口起始點(diǎn)，再選上邊緣中部即(2.0.0.4)處，

作為端口終點(diǎn)。此時(shí)彈出WavePort設(shè)置對話框，默認(rèn)設(shè)置，點(diǎn)Next,點(diǎn)Finish結(jié)束。在工

程樹中選設(shè)計(jì)T_wavcguide_dcsignl內(nèi)的Excitations項(xiàng)中的WavcPortl端口，可選中該端II,

如圖(b)所示。

提示：按下All鍵的同時(shí)，點(diǎn)左鍵移動(dòng)鼠標(biāo)可以旋轉(zhuǎn)模型。按下Shift鍵的同時(shí)，點(diǎn)左

鍵移動(dòng)鼠標(biāo)可以移動(dòng)模型，同時(shí)按下All+Shfl鍵，點(diǎn)鼠標(biāo)左鍵可以放大模型。

(2)復(fù)制長方體

復(fù)制長方體以創(chuàng)立第2局部：展開繪圖歷史樹的Objects\vaccuum\Tee節(jié)點(diǎn)，右鍵點(diǎn)擊

Tee頂，選擇Edit>Duplicate>AroundAxis,在彈出對話窗的Axis項(xiàng)選擇Z軸，在Angel

項(xiàng)輸入90deg,在TotalNumber項(xiàng)輸入2,點(diǎn)擊OK。那么復(fù)制、添加一個(gè)長方體.默認(rèn)名

為Teel」，與Z軸成9()度夾角。按下Ctrl+D鍵以適中顯示，如圖所示。

圖.4復(fù)制第二個(gè)長方體

繼續(xù)復(fù)制第一個(gè)長方體以創(chuàng)立第3局部：重復(fù)以上步輟，只是在Angel項(xiàng)輸入-90,那

么添加第3個(gè)長方體，默認(rèn)命Tee_2,即Tee沿Z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度復(fù)制而成，如圖所示。

圖.5復(fù)制第三個(gè)長方體

(3)組合長方體

組合：按下O鍵切換到物體選擇狀態(tài)。選中第1個(gè)長方體，按下CM鍵的同時(shí)選中第

2、第3個(gè)長方體，主菜單中選擇3DModelerOption>Boolean>Unite,那么將3個(gè)長方體

組合在一起，形成了一個(gè)T型接頭.如圖所示。

圖.6組合成T型接頭

(4)創(chuàng)立間隔

繪制長方體：主菜單中選擇Draw>Box,在繪圖區(qū)任選一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，在XY平面展開

成長方形，點(diǎn)左鍵確定，再沿Z軸展開成長方體，點(diǎn)左覆確定，完成后彈出屬性對話窗。

確定位置參數(shù):在屬性對話框內(nèi)的Comman頁,在Position項(xiàng)輸入(,offset,Oiir,按下

EnterS，那么彈出AddVariable對話框,在該對話框Value項(xiàng)輸入Oin,點(diǎn)OK,回到屬性

對話窗“注意：由于還沒有定義。ffset這個(gè)變量，上述數(shù)據(jù)輸入時(shí)要帶上單位in,并且offset

變量為屬于設(shè)計(jì)T_waveguide_design1的局部變最。

調(diào)整長方體尺寸：仍然在Command頁，在Xsize項(xiàng)輸入0.45,在Ysize項(xiàng)輸入().1,在

Zsize項(xiàng)輸入0.4。

命名：在屬性對話框中選擇Attribute標(biāo)簽如在Name欄輸入septum,其它不變，點(diǎn)

確定完成。那么這個(gè)名為SePtum的小長方體，即作為間隔創(chuàng)立完成，如圖所示。

圖7創(chuàng)立間隔

由T型接頭中減去間隔：在歷史樹中選中Tee項(xiàng)，按下Ctrl鍵的同時(shí)再選中septum項(xiàng),

主菜單中選擇3DModeler>Boolean>Subtract,在彈出對話窗中，確定Tee在BlankParts列

中，septum在ToolParts列中(即將間隔從T型接頭中去掉)，點(diǎn)OK完成。最終的結(jié)構(gòu)如

圖所示。

圖.8從T型接頭中去除間隔

(5)添加另外兩個(gè)波端口

按前述添加波端口WavePortl的方法，添加T型結(jié)構(gòu)的另外兩個(gè)波端口，分別為

WavePort2和WavePort3o

1.6.3仿真求解設(shè)置

(1)添加求解設(shè)置

在工程設(shè)計(jì)窗I」中.找到T_waveguidc_design1\Analysis節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)右鍵.選擇AddSolution

Setup,彈出求解設(shè)置對話框，在General標(biāo)簽頁的Solulion項(xiàng)輸入10,默認(rèn)單位為GHz,

在AdaptiveSolutions的MaximumNumberofPasses項(xiàng)設(shè)為3,其它不變，點(diǎn)確定。那么在

T_waveguide_designl\Ana'ysis節(jié)點(diǎn)下添加了有關(guān)求解設(shè)置項(xiàng)，默認(rèn)名為Setup1o

添加頻率掃描：在工程設(shè)計(jì)樹中的Setupl項(xiàng)上點(diǎn)右鍵，選擇AddSweep,在彈出的對話

框中選擇Interpolation項(xiàng)，其具體設(shè)置默認(rèn)不變；在Type欄選擇LinearStep,定義頻率范圍

為8?10GHz,間隔0.01GHz,點(diǎn)擊OK完成。那么在Setupl節(jié)點(diǎn)下增加一個(gè)頻率掃描項(xiàng)，

默認(rèn)名為Sweepl。工程設(shè)計(jì)樹窗口更新如圖所示。

圖.9更新后工程設(shè)計(jì)樹窗口

(2)確認(rèn)設(shè)計(jì)

主菜單中選擇HFSS>ValidationCheck,那么彈出確認(rèn)檢查窗口，對設(shè)計(jì)進(jìn)行確認(rèn)。全

部完成且沒有錯(cuò)誤時(shí)，點(diǎn)Close結(jié)束。

(3)仿真分析

主菜單中選擇HFSS>Analyze對設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行三維場分析求解。求解全部完成后.在

信息窗口會(huì)出現(xiàn)確定信息。

(4)移動(dòng)間隔的位置

在工程樹的T_waveguide_designl頂上點(diǎn)右鍵，選擇DesignProperties項(xiàng)。在彈出對話

框的LocalVariables標(biāo)簽頁中選擇Value項(xiàng)，在Offset參數(shù)的Value框輸入0.2(即Offset

變量的值為0.2),點(diǎn)確定完成。那么軟件在繪圖窗自動(dòng)更新幾何尺寸，如圖所示。

圖.10移動(dòng)間隔的位置

15)重新分析

在工程樹的Analysis頂點(diǎn)右鍵，選擇Analyze,重新進(jìn)行3D場仿真求解。

1.6.4比擬結(jié)果

(1)創(chuàng)立一個(gè)s參數(shù)的矩形曲線圖

創(chuàng)立結(jié)果圖：在工程樹中的Results項(xiàng)上點(diǎn)右鍵，選擇CreateReorto在彈出對話框的

ReortType列選擇ModalSolutionData,在DisplayType列選擇RectangularPlot,點(diǎn)OK完

成.那么彈出Traces對話窗。

設(shè)置曲線:選中對話窗中部的Y標(biāo)簽頁,在Category歹！J選擇Sparameter,在Quantity

列，按下Ctrl鍵的同時(shí)，選擇S(WavePortI?WavePo下)、S(WavePortI,WavePort2)

S(WavePortl,WavePort3)項(xiàng)，在Function列選擇mag。在X標(biāo)簽頁，選擇UsePrimarySweep

項(xiàng)。在Sweeps標(biāo)簽頁，選擇SweepDesignandProjectvariablevalues,其它默認(rèn)，點(diǎn)擊Add

Trace,那么在上方參加SU、S12、S13參數(shù)曲線，點(diǎn)Done完成。

那么在工程樹的Results項(xiàng)下參加該圖表項(xiàng).默認(rèn)名為XYPlotl,在右側(cè)窗口的矩形圖中

顯示不同間隔的S參數(shù)曲線，結(jié)果如圖所示。

圖.11包含S參數(shù)的矩形曲線圖

(2)創(chuàng)立一個(gè)場覆蓋圖

定義間隔的位里：確定Property窗口己經(jīng)翻開，否那么在主菜單中選擇View>Property

Window,顯示Property窗II。在工程樹中選擇T_wavcguidc_dcsignl項(xiàng)，那么在工程樹下方

出現(xiàn)Variables標(biāo)簽頁，在Offset變量的Value欄輸入0。

定義場分布：雙擊工程樹中的T_waveguide_designl項(xiàng)，返回繪圖窗口。在繪圖區(qū)點(diǎn)右

鍵.選擇selectFaces項(xiàng)，再點(diǎn)左鍵選擇T型接頭的上外表。主菜單中選擇HFSS>Fields>Plot

Field>Mag_E,在彈出對話框的Solution項(xiàng)選擇Selupl：LastAdaptive,其余默認(rèn)，點(diǎn)Done

完成。那么在工程樹的Fi31doverlays節(jié)點(diǎn)下參加該圖，默