天线 CAD 西安电子科技大学尹应增 2009 年秋 - Ansoft HFSS 软件的基本原理及应用 2009.8 一、简介Brief Introduction Ansoft HFSS 全称High Frequency Structure Simulator, 高频结构仿真器是Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方天线 CAD 西安电子科技大学尹应增 2009 年秋 法FEM的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件可以对任意的三维模型进行全波分析求解先进的材料类型边界条件及求解技术使其以无以伦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稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准已经广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域帮助工程师们高效地设计各种高频结构包括射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩高速互连结构、电真空器件研究目标特性和系统/部件的电磁兼容/电磁干扰特性从而降低设计成本减少设计周期增强竞争力。 Ansoft HFSS的应用领域 天线 1. 面天线贴片天线、喇叭天线、螺旋天线 2. 波导圆形/矩形波导、喇叭 、波导缝隙天线 3. 线天线偶极子天线、螺旋线天线 4. 天线阵列有限阵列天线阵、频率选择表面FSS、 5. 雷达散射截面RCS 微波 1. 滤波器腔体滤波器、微带滤波器、介质滤波器 2. EMCElectromagnetic Compatibility /EMIElectromagnetic 天线 CAD 西安电子科技大学尹应增 2009 年秋 Intergerence 屏蔽罩、近场远场辐射 3. 连接器同轴连接器底板、过渡 4. 波导波导滤波器、波导谐振器、波导连接器 5. Silicon/GaAs螺旋电感器、变压器 通过HFSS可以获取的信息 1 矩阵数据S、Y、Z参数和VSWR匹配 2 相关的场 2D/3D近场远场图 电场、磁场、电流体/面电流、功率、SAR辐射 3 某空间内的场求解 求解类型Full-wave 求解原理3D 有限元法FEM 网格类型等角的 网格单元正四面体 网格剖分形式自适应网格(Adaptive Meshing) 4 激励端口求解 求解原理2D-FEM 形式自适应网格边界条件 HFSS软件的求解原理 总体来说HFSS软件将所要求解的微波问题等效为计算天线 CAD 西安电子科技大学尹应增 2009 年秋 N端口网络的S矩阵具体步骤如下 将结构划分为有限元网格自适应网格剖分 在每一个激励端口处计算与端口具有相同截面的传输线所支持的模式 假设每次激励一个模式计算结构内全部电磁场模式 由得到的反射量和传输量计算广义S矩阵 图 1 求解流程图 自适应网格剖分是在误差大的区域内对网格多次迭代细化的求解过程利用网格剖分结果来计算在求解频率激励下存在于结构内部的电磁场。初始网格是基于单频波长进行的粗剖分然后进行自适应分析利用粗剖分对象计算的有限元解来估计在问题域中的哪些区域其精确解会有天线 CAD 西安电子科技大学尹应增 2009 年秋 很大的误差收敛性判断 再对这些区域的四面体网格进行细化进一步迭代 并产生新的解重新计算误差重复迭代过程求解误差分析收敛性判断自适应细化网格直到满足收敛标准或达到最大迭代步数。如果正在进行扫频则对其他频点求解问题不再进一步细化网格。 图 2 自适应网格总体与局部 HFSS 的操作界面和菜单功能介绍 Ansoft HFSS的界面主要包括菜单栏Menu bar、工具栏Toolbars、工程管理Project Manage窗口、状态栏Status bar、属性窗口Properties window、进度窗口Progress window、信息管理Message Manage窗口和3D模型窗口3D Modeler Window。 天线 CAD 西安电子科技大学尹应增 2009 年秋 图3 Ansoft HFSS的操作界面 菜单栏Menu bar 绘图、3D模型、HFSS、工具和帮助等下拉式菜单组成。 工具栏Tool bar对应菜单中常用的各种命令可以快速方便的执行各种命令。 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。 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。 天线 CAD 西安电子科技大学尹应增 2009 年秋 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。 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记录创建模型的过程。 二、操作指南和应用Operational Guideline and Application 完整的天线仿真分析基本步骤包括带*号的是必要步骤 1、创建工程及运行环境Create project and set operating environment基本的包括创建新工程、插入新设计、修改工程和设计名、设置绘图单位和求解类型等 *2、创建模型Draw a geometric model通过使用各种绘图命令建立与实际模型对应的仿真模型结构并设置求解空间和边界条件各种端口激励和辐射边界等 3、确定模型设计参数的变量Assign variables to a models design parameters建立变量来代替模型中的位置和尺寸参数这有利于调整模型的结构建立起模型各个参数之间的联系也是进行后期参数分析、优化的必要前提 *4、求解设置Specify solution settings for a design求解设置包括指定求解的频率求解的迭代步数天线 CAD 西安电子科技大学尹应增 2009 年秋 和求解结束的条件另外如果要考察模型随频率变化的特性还需要设置相应的扫频项 5、设计验证Validate a designs setup经过上面的步骤一个完整的分析模型就建立起来了不过在分析之前我们应该检查模型的正确性与完整性快捷工具可以帮助我们完成模型的检测并给出错误提示以便我们进行修改更正 *6、运行HFSS仿真Run an HFSS simulation点击工具栏中的图标进行仿真仿真的时间由模型的大小、计算机性能以及求解项的设置有关这过程中我们可以多线程工作 *7、创建图表结果Create report results仿真结束我们要查看模型的各种性能参数HFSS为我们提供了丰富的参数类别和图标形式可以创建不同的图表来描述仿真的结果 8、 参 数 扫 描 与 变 量 优 化 Parametric sweep and optimization当我们要考虑不同参数变量对天线性能的影响以及需要综合优化天线性能时HFSS也给我们提供了参数扫描和优化的功能。 天线 CAD 西安电子科技大学尹应增 2009 年秋 实例演示下面以缝隙耦合贴片天线为例具体说明软件的基本操作。 如图所示是将要创建的天线模型的结构图我们将结合上述理论通过详细的操作步骤来学习利用该软件仿真天线的基本方法。 图4 缝隙耦合贴片天线结构图 一、创建工程及运行环境 步骤1打开HFSS程序会给用户创建一个默认工程和设计我们将工程重新命名为slotpatch若要建立新的工程则可以选择菜单FileNew或者点击工具栏中的若要在工程中插入新的设计可以从菜单选择ProjectInsert HFSS Design或者点击工具键此外我们还可以对设计进行复制和粘贴的操作 步 骤 2 从 菜 单 HFSSSolution Type 选 择 求 解 类 型天线 CAD 西安电子科技大学尹应增 2009 年秋 Solution Type为Driven Model对于不同求解类型的应用说明可以参照HFSS帮助 步 骤 3 设 置 单 位 从 菜 单 选 择 ModelerUnits 或 者ToolsOptionsGeneral OptionsDefault Units中选择cm如果是双核计算机还可以在ToolsOptionsHFSS Options的Solver标签页的Number of Processors中改成2点击确定退出。 二、创建模型 步骤4画图前应选择参考平面这里我们选择XY平面。先画介质板sub在菜单选择DrawBox或者工具栏中点击快捷按钮。在状态栏中用Tab键输入起点坐标-7-4.50按回车键Enter确定再输入相对坐标长宽高1290.32 确定即可在模型窗口中创建一个立方体。 属性窗口的使用几何图形的尺寸可通过属性窗口作出相应的修改也可通过设置变量并赋值来确定以便于进行参数优化几何图形的名称材料及特性可通过属性窗口进行设置重命名该立方体为sub并对其赋予相对介电常数为2.2的材料方法是单击Materials toolbar进行选择。此外还可以设置图形的颜色及透明度等使显示效果更加直观。 操作技巧画完图形后我们可以通过按住Alt键或者Shift键或者Alt+Shift键并拖动鼠标可以分别实现图形的天线 CAD 西安电子科技大学尹应增 2009 年秋 旋转平移和放大缩小的操作这三个操作是最常用的操作。另外Ctrl+D可以让我们的模型以最合适的尺寸显示在3D模型窗口中Alt+双击左键会将视图角度调整为沿某坐标轴显示 步骤5创建馈线feedline。选择DrawRectangle在状态栏中键入几何尺寸X -5 Y -0.2475 Z 0 dX 7 dY 0.495 dZ 0 并在属性窗口中重命名为feedline。 步骤6创建地平面Ground。同样选择DrawRectangle在属性窗口中键入几何尺寸 -7 -4.5 0.16 dX 12 dY 9 dZ 0 并在属性窗口中重命名为Ground。 步骤7创建缝隙slot。同样选择DrawRectangle在状态栏中键入几