Ansoft 高级培训班教材 ISM 天线射频特性的 Ansoft HFSS 分析 李磊 谢拥军 编著 西安电子科技大学 Ansoft 培训中心 目录目录 第一章第一章 序言序言 第二章 第二章 创建项目创建项目 第三章 第三章 构造模型构造模型 第四章 第四章 优化优化 Ansoft 高级培训班教材 - 1 - 第一章第一章 序言序言 本讲义主要是引导学员学习使用Ansoft HFSS的优化功能进行微波工程设计。随着越来 越多的民用科研产品集中在ISM频段，这一频段的微波元器件设计也就越来越受到射频工程 师的关注。对于民用产品来说，微带天线适应了其集约化、小型化的需求，从而成为产品设 计中的关键。 Ansoft HFSS提供的优化设计功能，特别适合于微波产品的优化设计。在这一优化功能 中，结构参数、媒质本构常数等可以作为待优化的参数，元件的S参数、本征值和场分布等 都可以作为优化的目标函数。学员通过可以本讲义的练习，熟悉这一功能。 这本手册的后边部分描述将引导你如何使用软件去建立、 仿真和优化一个 ISM 天线 的 axial ratio （轴比） 。 本例假设使用者已经学习过并理解指南中的 “The Getting Started” 的内容。 备注：如果你对该内容不熟悉，请翻看指南中“Using the 3D Solid Modeler”部分。 该天线是一个右手圆极化天线（RHCP） ，工作在 2.4GHz 的 ISM 频率 (Bluetooth, 802.11b, etc. ) Ansoft 高级培训班教材 - 2 - 第二章创建项目第二章创建项目 本章中你的目标是： 保存一个新项目。 把一个新的HFSS设计加到已建的项目 为项目选择一种求解方式 设置设计使用的长度单位 时间时间：完成这章的内容总共大约要5分钟。 一一.打开打开HFSS并保存一个新项目并保存一个新项目 1. 双击桌面上的HFSS9图标，这样就可以启动HFSS。启动后的程序工作环境如图： 图 21 HFSS 工作界面 1打开File选项(alt+F),单击Save as。 2 找到合适的目录， 键入项目名hfopt_ismantenna。图 22 保存 HFSS 项目 Ansoft 高级培训班教材 - 3 - 二二.加入一个新的加入一个新的 HFSS 设计设计 1在Project菜单，点击insert HFSS Design选项。( 或直接点击图标。)一个新的工程被加入到hfopt_ismantenna项目中，默认名为HFSSModeln。 图 23 加入新的 HFSS 设计 2 为设计重命名。在项目树中选中 HFSSModel1,单击鼠标右键，再点击 Rename 项，将设 计重命名为 hfopt_ismantenna。 图 24 更改设计名 Ansoft 高级培训班教材 - 4 - 三三.选择一种求解方式选择一种求解方式 1 在 HFSS 菜单上，点击 Solution Type 选项. 2选择源激励方式，在 Solution Type 对话框中选中 Driven Mode 项。 图 25 选择求解类型 图 26 选择源激励方式 四四.设置设计使用的长度单位设置设计使用的长度单位 1. 在 3D Modeler 菜单上，点击 Units 选项. 2. 选择长度单位，在 Set Model Units 对话框中选中 mm 项。 图 25 选择长度单位 图 26 选择 mm 作为长度单位 Ansoft 高级培训班教材 - 5 - 第三章构造模型第三章构造模型 本章中你的目标是： 建立物理模型。 设置变量。 设置模型材料参数 设置边界条件和激励源 设置求解条件 时间时间：完成这章的内容总共大约要35分钟。 一一.建立物理模型建立物理模型 1 画长方体。 在 Draw 菜单中，点击 Box 选项（或直接点击图标） ； 图 31 通过菜单加入一个 Box 2 输入参数。 按下 Tab 键切换到参数设置区（在工作区的右下角） ，设置长方体的基坐标为 (x=-22.5mm,y=-22.5mm,z=0.0mm); 按下 Enter 键后输入三边长度：x 方向 45mm, y 方向 45mm, z 方向 5mm。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。 图 32 输入长方体的几何尺寸 Ansoft 高级培训班教材 - 6 - 3 设置长方体属性 如上设置完几何尺寸后， HFSS 系统会自动弹出长方体属性对话框。 对话框的 Command 页里有我们刚才设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用 鼠标建立一个长方体模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。 单击 Attribute 页，在 Attribute 页我们可以为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等 参数。这里，我们把这个长方体命名为 Substate，将其透明度设为 0.8。材料在下文统一设 置。 设置完毕后，同时按下 ctrl 和 D 键(ctrl+D)，将视图调整一下。 图33 设置长方体的各项属性 图34 绘出Substate板后的视窗 小技巧： 按下alt键后，旋转鼠标，视图随之旋转； Ansoft 高级培训班教材 - 7 - 按下 shift 键后，移动鼠标，视图随之平移； 4 画长方形。 在Draw菜单中，点击Rectangle选项（或直接点击图标） ； 图35 通过菜单加入一个Rectangle 5 输入长方形参数。 按下 Tab 键切换到参数设置区（在工作区的右下角） ，设置长方形的基坐标为 (x=-45mm,y=-45mm,z=0.0mm); 按下 Enter 键后输入三边长度：x 方向 90mm, y 方向 90mm, z 方向 0mm。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。 图 36 输入长方形的几何尺寸 6 设置长方形属性 如上设置完几何尺寸后， HFSS 系统会自动弹出长方形属性对话框。 对话框的 Command 页里有我们刚才设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用 鼠标建立一个长方形模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。 单击 Attribute 页，在 Attribute 页我们可以为长方形设置名称、材料、颜色、透明度等 参数。这里，我们把这个长方形命名为 groundplane，将其透明度设为 0.8。 设置完毕后，同时按下 ctrl 和 D 键(ctrl+D)，将视图调整一下。 Ansoft 高级培训班教材 - 8 - 图37 设置长方形的各项属性 图38 绘出groundplane后的视窗 Ansoft 高级培训班教材 - 9 - 7. 重复上述画长方形的步骤绘出长方形patch。 参数如下： 名称：patch 长方形坐标基点坐标: X= -16mm, Y=-16 mm, Z=5mm; x 方向(dx)=32mm, y 方向(dy)=32mm, z 方向(dz)= 0mm。 透明度：0.8 图39 绘出patch后的视窗 8. 画圆柱体 在 Draw 菜单中，点击 Cylinder 选项（或直接点击图标） ； 图 310 通过菜单加入一个 Cylinder 9 入圆柱体参数。 按下 Tab 键切换到参数设置区（在工作区的右下角） ，圆柱体坐标基点圆心坐标: X= 0mm, Y= 8mm, Z=0 mm;高: 5mm,半径:0.5mm; 圆柱轴向为 z 轴. 所以 dx:0.5mm, dy:0mm,dz:5mm 图 311 输入圆柱体的几何尺寸 Ansoft 高级培训班教材 - 10 - 10. 设置圆柱体属性 如上设置完几何尺寸后， HFSS 系统会自动弹出圆柱体属性对话框。 对话框的 Command 页里有我们刚才设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用 鼠标建立一个圆柱体模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。 单击 Attribute 页，在 Attribute 页我们可以为圆柱体设置名称、材料、颜色、透明度等 参数。这里，我们把这个圆柱体命名为 feed，将其透明度设为 0.8。材料在下文统一设置。 设置完毕后，同时按下 ctrl 和 D 键(ctrl+D)，将视图调整一下。 图312 设置圆柱体的各项属性 Ansoft 高级培训班教材 - 11 - 图313 绘出pad后的视窗 11.重复上述画长方体的步骤绘出长 方 体 air。 参数如下： 名称: air_box 坐标基点: X= -80.0mm, Y= -80.0mm, Z= -35.0mm 三边长度: X 方向: 160.0mm, Y 方向: 160.0mm,Z 方向: 75.0mm 透明度：0.8 同时按下 ctrl 和 D 键(ctrl+D)，将视图调整一下。 图 314 绘出 air_box 后的视窗 12画圆形。 在Draw菜单中，点击Circle选项（或直接点击图标） ； 图315 通过菜单加入一个Circle 13输入圆形参数。 按下 Tab 键切换到参数设置区（在工作区的右下角） ，设置圆形的圆形基坐标为 (x=0mm,y=8mm,z=0.0mm); 按下 Enter 键后输入三边长度： x 方向 1.5mm, y 方向 0mm, z 方Ansoft 高级培训班教材 - 12 - 向 0mm。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。 图 316 输入长方形的几何尺寸 14输入圆形属性。 如上设置完几何尺寸后，HFSS 系统会自动弹出圆形属性对话框。对话框的 Command 页里有我们刚才设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用 鼠标建立一个圆形模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。 单击 Attribute 页，在 Attribute 页我们可以为圆形设置名称、材料、颜色、透明度等参 数。这里，我们把这个圆形命名为 port，将其透明度设为 0.8。 设置完毕后，同时按下 ctrl 和 D 键(ctrl+D)，将视图调整一下。 图317 设置圆形的各项属性 Ansoft 高级培训班教材 - 13 - 图318 绘出port后的局部视窗 15从groundplane中割去port。 在操作历史树中利用 ctrl 键先选中 groundplane, 再选中 port；在 3D Modeler 菜单上，点击 Boolean 选项,再选择 Subtract 项。 （或直接点击图标） 注意：出现在 Subtract 左侧的物体是操作后保留的物体。 选中 Clone tool objects before subtract；我们只想在 groudplane 中裁去和 port 一样大小 的洞，仍需要保留 port。 图 320 通过菜单进行 subtract 操作 图 321 subtract 对话框 小技巧：点击图标可以选择显示、隐藏物体。 Ansoft 高级培训班教材 - 14 - 图 322 挖去与 port 相同大小的 groundplane（隐去 port） 16画多边形。 在 Draw 菜单中，点击 Line 选项（或直接点击图标） ； 图323 通过菜单加入一个多边形 17输入多边形参数。 按下 Tab 键切换到参数设置区（在工作区的右下角） ，输入第一个点的坐标为 (x=0mm,y=0mm,z=0mm); 按下 Enter 键后输入第二个点的坐标为(x=6mm,y=0mm,z=