高频结构仿真软件HFSS

2018年11月5日
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HFSS的CAD基础
3D模型－基本形状 2D物体：线、样条曲线、基于方程的曲线，矩形，椭圆形，圆，规则
多边形，基于方程的曲面 3D物体：立方体、圆柱体、规则多面体、圆锥、球、圆环面、螺旋、 焊接线
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HFSS的操作步骤
参数模型 几何/材料 分析： 求解设置 频率扫描设置
波导：圆形/矩形波导、喇叭
线天线：偶极子天线、螺旋线天线 天线阵列：有限阵列天线阵、频率选择表面（ FSS）、光子带隙（PBG） 雷达反射界面（RCS）
微波
滤波器：腔体滤波器、微带滤波器、介质滤波器
EMC/EMI：屏蔽罩、近场－远场辐射 连接器：同轴连接器、SFP/XFP、底板、过渡 波导：波导滤波器、波导谐振器、波导过渡、波导连接器 Silicon/GaSa：螺旋电感器、变压器
率下的场模式。
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HFSS的操作步骤
3）创建互连结构模型。HFSS拥有强大的全参数三维模型创建功能，简单的实
体建模中，直接使用HFSS中提供的基本图形（主菜单>Draw）即可，当创建复 杂的物体时，可以用布尔运算操作（3D Modeler>Boolean）完成挖洞、切开或 连接等功能。
2）HFSS>Solution Type，设置解算类型，确定如何激励和收敛。HFSS
有三种解算类型，第一种是模式驱动（Driven Modal），根据波导模式 的入射和反射功率表示 S 参数矩阵的解；第二种是终端驱动（ Driven Terminal），根据传输线终端的电压和电流表示 S参数矩阵的解；第三 种是本征模（Eignemode），求解物理结构的谐振频率以及这些谐振频
4）在创建每一个基本结构单元时，HFSS都会提示确定其属性，如介电常数等，
默认的材料特性是真空（Vacuum）。
5 ）指定平面设置边界条件（ HFSS>Boundaries>Assign ）。 HFSS有多种边界条
件，在高速设计中最常用的有，理想电边界（Perfect E）表示电场垂直于表面。 任何与背景相关联的物体表面和任何被赋值为 PEC（理想电导体）的物体表面 将被自动地设置为Perfect E边界；理想磁边界（Perfect H）是指电场方向与表 面相切；阻抗边界（ Impedance ）用解析公式计算场行为和损耗的电阻性表面； 辐射边界（Radiation）也被称为吸收边界，用来模拟开放的表面；完美匹配层 边界（PML）用一种非实际的、阻抗与自由空间相匹配吸收层来模拟开放空间。
高频结构仿真软件HFSS
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提纲
HFSS的仿真概述
HFSS的核心算法
HFSS的操作步骤 HFSS的初步实践
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HFSS概述
高频 结构 仿真
微波器件按其功能可分为微 计算模拟器包括数值算法内部求 波振荡器（微波源）、功率 解器和处理细节问题的后处理命 放大器、混频器、检波器、 令。 微波天线、微波传输线等
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HFSS的核心算法
下面显示着一个由模拟器建立的样本结构。这个混合接头的唯一特征
是信号从端口１均匀耦合到２、３端口，不耦合到４端口。在 Ansoft HFSS，这个几何结构自动被剖分成大量的四面体，一个四面体基本上 是一个四面的角锥。四面体的集合叫做有限元网面。下图是混合接头 4 的有限元网面剖分图。
信号完整性/高速数字电路分析
Package Modeling – BGA, QFP, Flip-Chip PCB板：功率/接地面、网格接地，底板 Connectors – SFP/XFP, VHDM, GBX, NexLev, 同轴 连接器：微分/Single-ended Vias
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有限元法：将一个结构分成成千上万的小区域（单元）可以使系统分别计 算每一个单元。系统划分的区域越小，最终值越精确。实现场的优化计算。
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HFSS－求解器类型
Driven Modal（驱动模式）激励求解：计算基于S参数
（微波网络S参数）的模型。根据波导模式的入射和反 射能量计算S矩阵 通用S参数 Driven Terminal（终端驱动）激励终端求解：计算基 于多导体传输线端口的终端S参数。根据终端电压和电 流计算S矩阵； Eigen mode（本征模）：计算结构的本征模，谐振。 本征模求解器将寻找到结构的谐振频率并计算这些谐 振频率上的场；
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HFSS的仿真结果输出
相关的场
模式/终端/微分的：电场、磁场、电流（体/面电流）、功
率、功率吸收比SAR; 辐射：2D/3D近场－远场图，组合（规则或用户自定义设 置），雷达散射截面RCS; 场计算器：使用定义的场计算器; 显示方式：体积，表面，矢量，2D报告（直角坐标，极坐 标，辐射模式） 输出格式：动画（AVI，GIF），数据表格，图标 （Windows剪贴板，BMP，GIF，JPG，TIFF，VRML等）
任意3D模型的全波场求解：
基本电磁场数值解，近远场辐射问题； 天线
端口特征阻抗和传播常数； 传输线 S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；天线
一种结构的特征或谐振解；谐振腔
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HFSS一般应用
天线
面天线：贴片天线、偶极子天线、喇叭天线、手机天线、螺旋天线
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HFSS的操作步骤
Ansoft HFSS提供了一个直观、易于使用、用于建立任意三维无源器件
模型的界面。创建一个设计包括以下几个步骤：
1）File>New，然后点击Project>Insert HFSS Design，新建一个Project。
当然可以通过File>Open，打开一个已经存在的Project；
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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HFSS的仿真结果输出
矩阵数据
模式/终端/微分的：S、Y、Z参数和VSWR
激励：复杂的传播系数（伽马：磁场强度单位） 全波Spice 全波段：宽带模拟 集中（总）RLC：低频模拟 局部片段操作：Matlab数据处理 导出格式：HSPICE,PSPICE,Cadence Spectrum,和Maxwell SPICE 显 示 模 式 ： 直 角 坐 标 系 、 极 坐 标 系 、 Smith 圆 图 ， 数 据 表 格