HFSS讲义

HFSS软件基础与应用
这节课我们主要介绍三个方面的内容：
一、简单介绍HFSS软件
二、介绍HFSS软件的基本操作
三、通过实例的讲解，介绍利用HFSS软件怎样实现天线的仿真

一、 关于HFSS
在学习这个软件之前，我们首先对生产这个软件的公司有个大致的了解。
Ansoft公司是全球最大的提供以电磁技术为核心的专业EDA厂商，成立于1984年，总部设于美国宾西法尼亚州的匹兹堡市。Ansoft公司自1997年进入中国市场后，先后在北京、上海和成都开设了办事处；并在北京理工大学、西安电子科技大学和北京航空航天大学设立三个培训中心。
Ansoft公司高频软件包是一个功能非常强大的设计工具，可应用于迅猛发展的无线技术、宽带通信网络、天线系统、航空航天电子等领域，进行系统分析、电路设计、电磁仿真和物理设计。高频产品包括：Ansoft Designer、HFSS等。
Ansoft HFSS 高频结构电磁场仿真软件，采用切向矢量有限元法求解任意三维无源结构的电磁场，得到特征阻抗、传播系数、辐射场、天线方向图等结果，利用周期性边界条件，可解决：
(1) 基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题;
(2 )端口特征阻抗和传输常数:
(3 )S参数和相应端口阻抗的归一化S参数;
(4 )结构的本征模或谐振解。
二、 HFSS软件介绍与操作
这节课我们主要是学习HFSS（High Frequency Structure Simulator, 高频结构仿真器）的操作和使用。
1、启动软件
软件界面
菜单栏（Menu bar）由文件、编辑、视图、工程、绘图、3D模型、HFSS、工具和帮助等下拉式菜单组成。
工程管理（Project Manage）窗口显示所以打开的HFSS工程的详细信息，包括边界、激励、剖分操作、分析、参数优化、结果、端口场显示、场覆盖图和辐射等。
3D模型窗口（3D Modeler Window）是创建几何模型的区域，包括模型视图区域和历史树。
状态栏（Status bar）位于HFSS界面底部，显示当前执行命令的信息。
属性窗口（Properties window）显示在工程树、历史树和3D模型窗口中所选条目的特性或属性。
进度窗口（Progress window）监视运行进度，以图像方式表示进度完成比例。
信息管理（Message Manage）窗口显示工程设置的错误信息和分析进度信息。


2、设置求解模式
在菜单栏中点击HFSS，选择Solution Type.会出现下面的对话框：

（1）激励求解：用HFSS计算无源、高频结构的S参数时，可选择激励求解类型，例如微带、波导、传输线结构。S矩阵解被表示为波导的入射功率及反射波功率。
（2）激励终端求解：用HFSS计算多导体传输线端口的S参数时，可以

选择激励终端求解类型。S矩阵解将由终端电压和电流来描述。
（3）本征模求解：计算结构的本征模或谐振时，可选择本征模求解类型。本征模解法可算出结构的谐振频率及在这些谐振频率处对应的场，也可计算谐振腔体的无载Q值。
3、设置单位
在菜单栏里点击3D Modeler选择Unites:

4、绘制图形
一维的有直线、折线、曲线。也可以创建由曲线方程画出所需要的图形。
二维的有：

在这里也能画出由某个曲面方程所要求的面。
三维最基本的有：

5、图形的变换
当然，实际需要中所遇到的不止限于以上模型，我们也可以通过很多变换的手法来画出我们需要的3D图形。
单击菜单栏的Edit
Arrange
Move – Translates the structure along a vector
Rotate – Rotates the shape around a coordinate axis by an angle
Mirror – Mirrors the shape around a specified plane
Duplicate
Along Lines – Create multiple copies of an object along a vector
Around Axis – Create multiple copies of an object rotated by a fixed
angle around the x, y, or z axis
Mirror - Mirrors the shape around a specified plane and creates a
duplicate
6．图形的布尔操作
几种布尔操作：
Unite – combine multiple primitives

Subtract – remove part of a primitive from another

Split – break primitives into multiple parts

操作前 操作后
Intersect– keep only the parts of primitives that overlap

Sweep – turn a 2D primitive into a solid by sweeping: Along a Vector,
Around an Axis, Along a Path

操作前 操作后
Connect – connect 2D primitives. Use Cover Surfaces to turn the
connected object into a solid

操作前 操作后
Section – generate 2D cross-sections of a 3D object
7、视角的变换
用以下命令你在创建模型的过程中，可以随时改变视角
Rotate – The structure will be rotated around the coordinate system
Pan – The structure will be translated in the graphical area
Dynamic Zoom – Moving the mouse upwards will increase the zoom factor while moving the mouse downwards will decrease the zoom factor
Zoom In/Out – In this mode a rubber band rectangle will be defined by
dragging the mouse. After releasing the mouse button the zoom factor willbe applied.

快捷键：
ALT + Drag = Rotate
Shift + Drag =Pan
ALT + Shift + Drag = Dynamic Zoom
另外，用鼠标在3D窗口中右点击也可以实现视角的转变。
在模型创建完毕后，我们为了方便以后的调试，可以对模型设置变量并进行优化,对它的具体操作我们会在下面的仿真实例中详细讲解。
三、 HFSS实例讲解
以上的内容我们讲的是HFSS软件的最基本操作，下面我们以一个单极子天线的实例来学习软件的功能性。

首先了解基本任务操作步骤包括：
（1）画模型（Draw a geometric model）；
（2）修改项目设计参数（Modify a model’s design parameters）；
（3）确定模型设计参数的变量（Assign variables to a model’s design parameters）；
(4)指定设计的解设置（Specify solution settings for a design）；
(5)验证设计设置（Validate a design’s setup）；
(6)运行HFSS模拟（Run an HFSS simulation）；
(7)创建2D散射参数的直角坐标曲线（Create a 2D x-y plot of S-parameter results）。
1、 创建工程
（1） 运行HFSS后，自动创建一个新工程：Project1
由主菜单选File\Save as,保存并命名danjizi.
（2）插入HFSS设计
由主菜单选Project\Insert HFSS Design,则一个新的项目自动加入到工程列表中，同时会出现3D画图窗口。
（3）选择求解类型
从HFSS菜单选择解类型（Solution Type）为Driven Model
（4）设置单位
从3D Modeler菜单选择cm
2、 创建模型
（1）绘制贴片
选择绘图平面，这里的单极子贴片在YZ面上，因此我们将工作平面改为YZ面。

选择“Cylinder…”命令创建带厚度的圆形贴片。

输入圆心坐标（-0.02，0，3.9），按下回车，继续输入半径dx（0.04）,dy(3.8),dz(0); 按下回车，会出现如下属性对话框

选择Attibute标签页，将name改为patch，点击Transparent项的数值条，在弹出窗口移动滑条使其值为0.8。设置完毕后，按下Ctrl+D键，将图形显示适中。

（2）绘制地板
将工作平面切换到XY面
绘制一个矩形：由主菜单选Draw/Rectangle；按下Tab键依次输入参数（-20，-20，0），（40，40，0），全部设好后按下回车，出现属性对话框，将Name项改为groud,点击Transparent项的数值条，使其值为0.8，设置完毕后，按下Ctrl+D键，将图形显示适中。

（3）绘制馈电探针
绘制圆柱体：按同样的步骤输入圆心坐标（0.04，0，0），按下回车，继续输入半径dx（0.02），dy(0)，dz(0)；按下回车，最后输入厚度dx（0），dy(0)，dz(0.15)，最后出现属性对话框，将name改为feed，点击Transparent项的数值条，在弹出窗口移动滑条使其值为0.8。设置完毕后，按下Ctrl+D键，将图形显示适中。
（4）绘制端口
绘制圆形：由主菜单选Draw/circle,按下Tab键切换到参数区，设置圆心坐标为（0.04，0，0），输入半径为（0.06，0，0），即半径为0.06，按下回车。定义属性：Name改为port，Transparent为0.8。在接地板中截去端口：在绘图历史树中选groud,按下Ctrl同时再选中port，有主菜单选3D Modeler\Boolean\Substrate,做到以下

（5）绘制空气腔
由主菜单选Draw/Box,按下Tab键切换到参数区,起点坐标为（-28.2，-28.2，-8.2），三边的长度（56.4，56.4，20.3）；Name设为air, Transparent

为0.8, 设置完毕后，按下Ctrl+D键，将图形显示适中。

3、设置变量
（1）在接地板中设置变量
在绘图历史树中，展开groud节点，选择CreatRectangle项，点右键选择Properties.将弹出的属性窗口中的Position项由（-20，-20，0），改为(gndstart, gndstart,0)，按下回车，在弹出的新窗口定义变量gndstart的数值为-20mm ,点击OK关闭。再在原属性窗口，将Xsize,Ysize都改为gndsize,同样定义它的大小为40mm
（2）将贴片设置为变量
在绘图历史树中，展开feed节点，选择Creat Cylinder项，点右键选择Properties.将弹出的属性窗口中的Position项由（-0.02，0，3.9），改为(patchcenter，0，patchsite)，按下回车，在弹出的新窗口定义变量patchcenter的数值为-0.02mm , 定义变量patchsite的数值为3.9mm，定义贴片半径为R_p=3.8cm,点击OK关闭。再在原属性窗口，将height都定义为patchheight,同样定义它的大小为0.04mm
（3）最后建立变量联系
在工程历史树danjizi上点右键，选择Design Properties,在弹出窗口的Variables标签页，将gndstart设为-gndsize/2，将patchcenter设为-patchheight/2，即建立变量联系。

4、设置模型材料和边界参数
（1）设置馈电点的材料
在绘图历史树中选feed项，点右键选择Assign Material,在弹出窗口的Material标签页中选择copper项，确定。

（2）设置地板和贴片为有限导体
在绘图历史树中，利用Ctrl键同时选中groudplane和patch项，右键选择Assign Boundary\finite Conductivity,在弹出窗口给边界命名，取默认值。则在工程历史树中的Antenna\Boundaries节点下添加Finite Cond1项
（3）设置空气腔为辐射边界条件
在绘图历史树选中air项，右键选择Assign Boundary\Radiation，在弹出的窗口将辐射边界命名为air1，则在工程历史树Antenna\Boundaries下添加air项。

（4）设置端口激励
选定激励平面，点击右键选择Assign excitation/Lumped port，点击下一步，在Integration Line项目选择New Line由下向上画出积分线，点击完成退出激励设置。
5、设置求解频率和扫描范围
选定工程管理窗口中的Analysis，点击右键选择Add Solution Setup，弹出Solution Setup对话窗口，输入求解频率为915MHz，收敛迭代最大步数（Maximum Number of Passes）10，点击确定退出。选定工程管理窗口中的Analysis下的Setup1，点击右键选择Add Sweep（添加扫频），选择扫频类型Sweep Type为Fast，输入计算频率范围，按ok退出。

6、设置辐射场
选择工程管理窗口中的Radiation，点击右键选择insert far field setup，再选择无限大空间，进行设置。
7、确认设置并分析
由主菜单选HFSS/Validation Check, 则弹出确认检查窗口，对设计确认没有错误后，点Close确认，点HFSS/Analyze

进行求解。
8、显示结果
画3D辐射方向图。选定工程管理窗口中的Results，点击右键选择Create Far Fields report /3D Polar Plot，按ok确定，在Solution框选择Setup1: Sweep1，点击Sweeps，选择theta和phi为All Values，在Category框选择增益Gain，点击Add Trace，点击Done退出。生成的3D辐射方向图如图：

画VSWR曲线。选定工程管理窗口中的Results，点击右键选择Create Report，保留缺省值，按ok确定，在Category框选择VSWR，点击Add Trace，点击Done退出。生成的VSWR曲线如图

若想改变模型的尺寸，或想使结果进一步理想化，我们就可以在刚才设置的变量的基础上使过程简单化。方法如下：
在工程历史树danjizi下方点击HFSSDesignl,会出现变量参数

在这里修改要比在绘图历史树中修改要方便得多，这也是设置变量的一个好处。
如果要对仿真结果进行优化，在工程历史树HFSSDesignl上点右键，选择Design Properties,在弹出窗口的Variables标签页，选择Optimization,选中要优化的变量并设置优化范围。
完成后，在工程口的Analysis下右击Optimetrics

出现下面的对话框，点击Add,，在Solution选择要优化的目标，并点击Edit Calculation,


确定后回到原对话框，继续设定化目标，

完毕后，点击Variable标签页，选中要优化的变量，确定。

点击Analye进行分析优化。