第八章 HFSS 微波仿真

1. 第八章 HFSS微波仿真 8-1 HFSS基本介绍 一、 HFSS发展历程 二、 HFSS仿真原理 三、 HFSS仿真过程 四、 HFSS的主要功能 五、 HFSS的应用领域 8-2 HFSS软件系统 一、软件设计环境 二、基本操作

2. 8-1 HFSS基本介绍 一、 HFSS发展历程 HFSS–High Frequency Structure Simulator（高频电磁场仿真）软件由美国Ansoft公司开发的世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，是目前国际上主流的三维高频电磁场仿真软件之一。HFSS是一种基于物理原型的EDA设计软件。 HFSS8.0中增加了以下主要功能：模式到节点的转换；端对端的节点模型产生、求解及后处理；可输出高精度宽带SPICE模型；全波Spice（Full-Wave Spice）；自适应插值扫频算法；支持集总电阻、电容和电感部件。

3. 8-1 HFSS基本介绍 2003年5月Ansoft 公司发布了HFSS的最新版本V9，v9.2是基于物理原型的EDA设计软件。依靠其对电磁场精确分析的性能，使您能够轻松建立产品虚拟样机。 Ansoft HFSS v9.2最重要的新功能就是在PC机上能够利用3GB的内存空间，这极有效地拓展了HFSS的仿真计算能力，此外运用HFSS v9.2的用户自定义编程模块（UDP）能方便建立各种模型及元件库。同时，具备与Ansoft Designer、Nexxim动态链接的特性：通过动态参数化链接，在RF/数模混合电路仿真中实现与三维电磁场的协同仿真。

4. 8-1 HFSS基本介绍 2005年8月Ansoft公司在美国发布HFSS v10。最新版HFSS v10强化了与CAD工具和其他分析工具之间的配合。CAD模型有时会出现微小的段差和坐标误差，这种误差使得HFSS以前的版本有时无法使用该模型。 HFSS v10新增了一种功能，即具有能够消除微小段差和坐标误差影响的功能，能够直接使用绝大多数CAD模型。Ansoft将其称为“Healing功能”。所以即使CAD模型有时会出现微小的段差和坐标误差，HFSS v10也能将其分割成最佳的微小网格后，进行电磁场分析。另一点就是：HFSS v10与SIwave v3进行协作分析的示例，能够看到车身内部的印刷电路板产生的不必要辐射的活动情况。

5. 8-1 HFSS基本介绍 二、 HFSS仿真原理 HFSS采用的理论基础是有限元方法。有限元法是一种积分方法，其解是频域的，所以HFSS是由频域到时域，对于设计各种辐射器及求本征模问题很擅长。HFSS应用切向矢量有限元法。 所谓的有限元法，就是将整个区域分割成许多很小的子区域，这些子区域通常称为“单元”或“有限元”，将求解边界问题的原理应用于这些子区域中，求解每个小区域，通过选取恰当的尝试函数，使得对每一个单元的计算变得非常简单，经过对每个单元进行重复而简单的计算，再将其结果总和起来，便可以得到用整体矩阵表达的整个区域的解，这一整体矩阵又常常是稀疏矩阵，可以更进一步简化和加快求解过程。

6. 8-1 HFSS基本介绍 三、 HFSS仿真过程 HFSS仿真过程图

7. 8-1 HFSS基本介绍 四、 HFSS的主要功能 1. 提供了一个基于三维电磁场的自动化设计流程的设计平台。 2. 集成了工程设计所必需的强大的参数化设计、优化、敏感性及公差统计仿真分析功能。 3. 新一代仿真工具赋予了更灵活的网格剖分、收敛精度及仿真分析控制等功能，从而具有更快的仿真速度和更高的设计精度。 4. 其参数化设计、强大的建模及图形功能使工程仿真设计变得十分方便。 5. 电磁场与系统电路集成协同仿真设计能力。

8. 8-1 HFSS基本介绍 HFSS设计的新特点 • 精确 • 快速 • 方便易用 • 工程实用—参数化扫描、优化设计、敏感性分析、公差统计 • 电磁场与系统、电路集成协同仿真设计

9. 8-1 HFSS基本介绍 五、 HFSS的应用领域 • 射频和微波器件设计 • 对于任意三维高频微波器件，如波导、滤波器、耦合器、连接器、铁氧体器件和谐振腔等，HFSS都能提供工具实现S参数提取、产品调试及优化，最终达到制造要求。 2. 天线、阵列天线和馈源设计 HFSS是设计、优化和预测天线性能的有效工具。从简 单的单极子天线到复杂雷达屏蔽系统及任意馈电网络HFSS 都能精确地预测其电磁性能，包括辐射向图、波瓣宽度、 内部电磁场分布等。

10. 8-1 HFSS基本介绍 非均匀螺旋天线的模型分析 T形波导结构内部电磁场显示

11. 8-1 HFSS基本介绍 3. 高频IC设计 随着集成电路芯片进入纳米范围，工作频率增强、尺寸减小都导致片上互连结构寄生参数对芯片电路性能产生巨大影响。MMIC、RFIC和高速数字IC的设计要求准确表征并整合这种影响，这些都要求提取其准确的宽带电磁特性，HFSS是唯一能自动、快速实现这一功能的软件。 4. 高速封装设计 快速上升的IC引脚伴随着IC芯片及封装的微型化发展趋势，IC封装中的信号传输路径对整个系统电性能的影响越来越严重，必须有效区分和协调这种高速封装影响。HFSS提供的S参数和宽带SPICE电路模型，使IC、封装和PCB设计者能在制造和测试之前准确预测系统工作性能。

12. 8-1 HFSS基本介绍 高Q螺旋电感器的设计分析 高速封装的电磁特性分析

13. 8-1 HFSS基本介绍 5. 高速PCB板和RF PCB板设计 由于PCB工作频率及速度的不断提高，致使板上信号线、过孔等结构的等效电尺寸增加，从而产生更强的耦合、辐射等电磁效应。HFSS让PCB设计者明确、诊断、排除这些影响，无论是过孔、信号线，还是PCB板边缘或者同轴连接器等各种结构，HFSS都能确定其电磁效应，完成自动化设计、优化从而使产品达到更高性能。

14. 8-1 HFSS基本介绍 高速PCB板及背板的设计

15. 8-2 HFSS软件系统 HFSS软件是由美国Ansoft公司开发，是三维电磁场仿真软件。它应用切向矢量有限元法，可求解任意三维射频、微波器件的电磁场分布，计算由于材料和辐射带来的损耗。可直接得到特征阻抗、传播系数、S参数及电磁场、辐射场、天线方向图、特定吸收率等结果。广泛应用于天线、馈线、滤波器、多工器、功分器、环行器、光电器件、隔离器的设计和电磁兼容、电磁干扰，天线布局和互耦等问题的计算。 目前实验所用的HFSS软件为10.0版本，软件介绍以此版本为准。

16. 8-2 HFSS软件系统 一、软件设计环境

17. 8-2 HFSS软件系统 • 主菜单与工具条 • 主菜单在软件主窗口的顶部，包括File、Edit、Project等下拉菜单。 • 工具条在主菜单的下一行，是一些常用设置的图标。 2. 工程树 工程树包括所有打开的HFSS工程文件，每个工程文件一般包括几何模型、模型的边界条件、材料定义、场的求解、后处理信息等。工程树中第一个节点是工程的名称，默认名一般为Projectn，n代表当前打开的第n个工程。

18. 8-2 HFSS软件系统 导入HFSS设计后，其下加入HFSSModeln节点，n代表当前加入的第n个设计，在该节点下包括模型的所有特定数据。包括： Model：建立的模型。 Boundaries：边界条件。定义在问题区以及物体表面的边沿处的场特性，包括良导体表面、阻抗表面、辐射表面、主表面、从表面、集总元件表面等。 Excitations： 激励源。定义某物体或表面的电磁场的源以及电荷、电流、电压等情况，包括端口、集总端口、入射端口、电压源、电流源等。

19. 8-2 HFSS软件系统 Mesh Operation：网格设置。定义网格的划分，即网格晶元。 Analysis：分析。包括求解设置，定义软件如何计算求解。 Optimetrics：优化。包括所有优化设置。 Results：结果。包括所有后处理生成的结果报告。 Port Field Display：显示模型的端口场分布。 Field Overlays：显示某物体、表面的基本或衍生的场分布 情况。 Radiation：设置近场、远场。

20. 8-2 HFSS软件系统 3.绘图历史树、绘图窗 绘图历史树包括绘制的所有的几何模型，以及模型的编辑、材料定义等。 绘图历史树右侧是绘图窗，在该区绘制几何模型。 4. 属性窗 属性窗显示在工程树、绘图历史树或绘图区中选中的某一项的属性，可以进行编辑。在属性窗中可编辑的参数是不定的，其标签页的名称也不定，均由所选中的项的类型决定。

21. 8-2 HFSS软件系统 5. 信息窗 信息窗显示与工程创建过程相关的各种信息，例如工程设置的错误信息、分析过程的设置信息等。 6. 进程窗 进程窗在执行仿真时，监视仿真的进度，仿真的每一 步都有显示。

22. 8-2 HFSS软件系统 二、基本操作 1．创建工程 从主菜单选File\New，创建一个新工程;再选File\Save As，则以此路径、名称保存该工程。工程文件以*.hfss保存。 2．模型视图 模型视图有多种，包括移动、旋转、放大、缩小等。 移动：由主菜单选View\Pan，或者按下Shift键同时点鼠标左键移动鼠标，可以移动模型。

23. 8-2 HFSS软件系统 旋转：由主菜单选View\Rotate，或者按下Alt键的同时点鼠标左键移动鼠标，可以旋转模型。 缩放：由主菜单选View\Zoom，或者同时按下Alt、Shift键，点左键移动鼠标可以放大、缩小模型。向上移是放大视图，向下移是缩小视图。 适中显示：同时按下Ctrl、D键，可以将模型适中示。 其他操作还有Zoom In、Zoom Out等。

24. 8-2 HFSS软件系统 3．复制、粘贴 由主菜单选Edit\Copy To Clipboard，可将模型粘贴到剪 贴板，再粘贴到Word、PowerPoint等基于Windows的程序中, 此操作也可复制工程的分析结果图。 4．各种HFSS文件 一个*.hfss文件包含所有与工程相关的文件。常见的文件 及文件夹类型包括： design_name.hfssresults：文件夹，保存设计的结果数据。 project_name.hfssresults：文件夹，保存工程的结果数据。 Project_name.asol：文件，保存工程的场数据结果。如果 求解不合适，则该文件可能为空。保存在project_name. hfss results文件夹内。

25. 8-2 HFSS软件系统 .pjt：HFSS软件8.5以及更早版本的工程文件。 .anfp：Ansoft的PCB中性文件。 5．导出文件 由主菜单选3D Model\Export，选择保存路径、命名，将“保存类型”下拉列展开，选择要导出的文件类型即可。 *.sm2：二维模型文件，只包含XY平面。 *.sat或*.sm3三维模型文件，前者为ACIS几何固态模型文件，后者为在ACIS2.0版或更高版本中的HFSS三维模型文件。如果选择*.sm3，则还要选择ACIS SM3的版本。 图表文件：包括*.bmp，*.gif，*.jpeg，*.tiff，*.wrl等格式。

26. 8-2 HFSS软件系统 数据列表文件：*.txt为后处理格式文件，*.csv为逗号分隔文件，*.tab为Tab键分隔文件，*.dat为曲线数据文件。方法：分析出结果后，由主菜单选Report2D\Export，选择保存路径、命名，将Save as type下拉列展开，选择要导出的文件类型即可。 6．导出矩阵数据 在工程树的Anlysis\setupn项上，点右键，选择Matrix Data，出现Solution Data窗，默认Matrix Data标签页。选择想要查看的矩阵类型，包括S-matrix，Y-matrix，Z-matrix，Gamma，Zo等参数，点Export。

27. 8-2 HFSS软件系统 在弹出的新窗口，选择保存路径、命名，将“保存类型”下拉列展开，选择要导出的文件类型即可。包括： *.tab：数据列表文件。将S矩阵的各项按顺序列出，包括数据头，以Tab键隔开。 *.sNp：TouchstoneS参数文件。后缀名中的N代表有N个端口。 *.nmf：中性文件名。 *.m：Matlab文件。SYZ矩阵的各项按顺序列出。 *.cit：Citifile格式文件。

28. 8-2 HFSS软件系统 7．导入文件 有主菜单选3D Modeler\Import，选择查找路径，将“文件类型”下拉列展开，选择要导出的文件类型，选择要导入的文件名即可。 *.gds：二维几何设计布局数据的标准文件格式。 *.dxf：AutoCAD绘图交换格式文件。 *.geo：HFSS固态模型文件。 *.iges，*.igs：初始图形交换规格(IGES)的工业标准文件。 同样，也可导入求解数据、数据列表等，方法略。 软件的其他使用说明请查看软件自身的帮助文件：hfss.chm。