HFSS使用心得及边界端口详解

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1、HFSS 使 用 心 得1、 简 介目 前 ， 国 际 上 主 流 的 三 维 高 频 电 磁 场 仿 真 软 件 有 德 国 CST 公 司 的MicroWave Studio（ 微 波 工 作 室 ） 、 美 国 Ansoft 公 司 的 HFSS（ 高 频 电 磁 场 仿 真 ） ， 而 诸如 Zeland 等 软 件 则最 多 只 能 算 作 2.5 维 的 。就 目 前 发 行 的 版 本 而 言 ， CST 的 MWS 的 前 后 处 理 界 面 及 操 作 感 比HFSS 好 很 多 ， 然 而 Ansoft也 意 识 到 了 自 己 的 缺 点 ， 在 将 要 推 出 的 新

2、版 本 HFSS（ 定 名 为 Ansoft Designer） 中 ， 界 面 及 操 作 都 得 到 了 极 大 的 改 善 ， 完 全 可 以 和 CST 相比 ； 在 性 能 方 面 ，2 个 软 件 各 有 所 长 ， 在 业 界 每 隔 一 定 时 间 就 会 有 一 次 软 件 比 赛 ， 看 看 谁 的 软 件算 的 快 ，算 的 准 ， 在 过 去 的 时 间 里 ， CST 和 ANSOFT 成 绩 相 差 不 多 ； 价 格 方 面 ， 2个 软 件 相 差 不 多 ，大 约 在 7 8 万 美 元 的 水 平 ， 且 都有 出 国 培 训 的 安 排 。值 得 注 意

3、的 是 ， MWS 采 用 的 理 论 基 础 是 FIT， 所 以 MWS 的 计 算 是 由 时域 得 到 频 域 解 ， 对 于 象 滤 波 器 ， 耦 合 器 等 主 要 关 心 带 内 参 数 的 问 题 设 计 就 非 常适 合 ； 而 HFSS 采 用 的 理 论 基 础 是 有 限 元 方 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 。 当 然 ， 并 不 是 说 2 个 软 件 在 对 方 的 领 域 就一 无 是 处 。由 于 A

4、nsoft 进 入 中 国 市 场 较 早 ， 所 以 目 前 国 内 的 HFSS 使 用 者 众 多 ， 特别 是 在 各 大 通 信 技 术 研 究 单 位 、 公 司 、 高 校 非 常 普 及 。2、 使 用 心 得和 大 部 分 的 大 型 数 值 分 析 软 件 相 似 ， 以 有 限 元 方 法 为 基 础 的 Ansoft HFSS 并 非 是 傻 瓜 软 件 ， 对 于 绝 大 部 分 的 问 题 来 说 ， 想 要 得 到 快 速 而 准 确 的 结果 ， 必 须 人 工 作 一 定 的 干 预 。 除 了 必 须 十 分 明 了 模 型 细 节 外 ， 建 模 者 本

5、身 也 最好 具 备 一 定 的 电 磁 理 论 基 础 。作 者 假 定 阅 读 者 使 用 过 HFSS， 因 此 对 一 些 属 于 基 本 操 作 方 面 的 内 容 并 不 提及 。2.1、 对 称 的 使 用对 于 一 个 具 体 的 高 频 电 磁 场 仿 真 问 题 ， 首 先 应 该 看 看 它 是 否 可 以 采 用 对 称 面 。这 里 面 的 约 束 主 要 在 几 何 对 称 和 激 励 对 称 要 求 。 如 果 一 个 问 题 的 激 励 并 不 要 求是 可 改 变 的 ， 比 如 全 部 同 相 馈 电 的 阵 列 ， 此 时 最 好 采 用 对 称 ， 甚

6、至 可 以 采 用 2个 对 称 （ E 和 H 对 称 ） ， 将 可 以 大 大 节 约 时 间 和 设 备 资 源 。2.2、 面 的 使 用在 实 际 问 题 中 ， 有 很 多 结 构 是 可 以 使 用 2 维 面 来 代 替 的 ， 使 用 2 维 面 的好 处 是 可 以 极 大 的 减 少 计 算 量 并 且 结 果 与 使 用 3 维 实 体 相 差 无 几 。 例 如计 算 一 个 微 带 的 分 支 线 耦 合 器 ， 印 制 板 的 微 带 以 及 地 都 可 以 指 定 某 些 面 为 理 想电 面 代 替 ， 这 样 可 以 很 快 的 获 得 所 需 要 的 物

7、 理 尺 寸 及 其 性 能 。 再 以 计 算 偶极 子 为 例 ， 如 果 偶 极 子 是 以 理 想 导 体 为 材 质 的 圆 柱 ， 那 么 相 同 的 其 他 条 件 下 其计 算 时 间 大 约 是 采 用 等 效 面 为 偶 极 子 的 4 5 倍 ， 由 此 可 见 一 般 。2.3、 Lump Port（ 集 中 端 口 ） 的 使 用在 HFSS8 里 提 供 了 一 种 新 的 激 励 ： Lump Port， 这 种 激 励 避 免 了 建 立 一个 同 轴 或 者 波 导 激 励 ， 从 而 在 一 定 程 度 上 减 轻 了 模 型 量 ， 也 减 少 了 计 算

8、 时 间 。Lump Port 也 可 以 使 用 一 个 面 来 代 表 ， 要 注 意 的 是 对 该 Port 的 校 准 线 和 阻 抗 线的 设 置 一 定 要 准 确 ， 端 口 在 空 间 上 一 定 要 与 其 他 金 属 （ 或 电 面 ） 相 接 ， 否 则 结果 极 易 出 错 。2.4、 关 于 辐 射 边 界 的 问 题在 不 需 要 求 解 近 （ 远 ） 场 问 题 时 ， 比 如 密 封 在 金 属 箱 体 里 面 的 滤 波 器 等 密 闭 问题 ， 无 需 设 置 辐 射 边 界 。在 需 要 求 解 场 分 布 或 者 方 向 图 时 ， 必 须 设 置

9、辐 射 边 界 。 这 里 有 些 需 要 注 意 的 问题 ： 在 计 算 大 带 宽 周 期 性 结 构 时 ， 比 如 3 个 倍 频 程 ， 最 好 分 段 计 算 ， 例 如以 一 个 倍 频 程 为 一 段 ， 也 就 是 说 在 不 同 的 频 段 计 算 时 设 置 不 同 大 小 的 辐 射 边 界 ，否 则 在 计 算 的 频 率 边 缘 难 以 保 证 计 算 精 度 ； 其 次 ， 辐 射 边 界的 大 小 和 问 题 的 具 体 形 状 密 切 相 关 ， 如 果 物 体 的 外 部 轮 廓 可 以 装 在 一 个 球 或 并不 过 分 的 椭 球 中 时 ， 宜 采

10、 用 立 方 体 边 界 -简 单 有 效 ， 如 果 问 题 的 外 部 轮 廓较 为 复 杂 或 者 椭 球 2 轴 差 距 太 大 ， 以 采 用 相 似 形 边 界 或 圆 柱 边 界 ， 对 于 辐 射问 题 ， 如 果 估 计 问 题 的 增 益 较 低 （ 比 如 2dB） ， 那 么 边 界 宜 采 用 球形 ， 此 时 为 了 得 到 结 果 准 确 也 只 好 牺 牲 时 间 了 ； 另 在 HFSS 8 中 提 供 了 一 种 新 的 吸 收 边 界 -PML 边 界 条 件 ， 对 于 这 种 边 界 ， 笔 者 并 不是 很 满 意 ， 尽 管 其 有 效 距 离 为

11、 八 分 之 一 个 中 心 波 长 -是 老 边 界 的 一 半 ，可 以 减 少 计 算 量 ， 然 而 这 种 边 界 由 程 序 自 己 生 成 ， 为 一 个 立 方 体 的 复 杂 结 构 ，对 于 一 些 特 殊 的 复 杂 问 题 ， 这 种 边 界 内 部 有 很 多 的 空 间 是 无 用 的 ， 此 时还 不 如 使 用 老 边 界 灵 活 。2.5、 关 于 开 孔有 些 问 题 需 要 在 壁 上 开 孔 ， 此 时 可 以 采 用 2 种 办 法 ， 其 一 是 老 老 实 实 的 在模 型 上 挖 空 ； 其 二 是 采 用 H/Natrue 边 界 条 件 ，

12、通 常 ， 如 果 是 在 面 上 开 孔 ，将 会 采 用 后 者 ， 简 单 ， 便 于 修 改 。2.6、 关 于 网 格 划 分当 模 型 建 立 好 了 之 后 ， 进 入 计 算 模 块 ， 第 一 步 是 给 问 题 划 分 网 格 。 对 于 一 般 问题 ， 让 软 件 自 动 划 分 比 较 省 心 ， 但 对 大 型 问 题 和 复 杂 问 题 ， 让 软 件 自 己 划 分 可能 需 要 很 好 的 耐 性 来 等 待 。 根 据 实 际 经 验 ， 在 大 型 模 型 的 结 构 密 集 区 域 或 场 敏感 区 域 使 用 人 工 划 分 可 以 得 到 很 好 的

13、 效 果 ， 有 些 问 题 的 计算 结 果 开 始 表 现 为 收 敛 ， 但 进 一 步 提 高 精 度 ， 却 又 反 弹 ， 问 题 就 在 于 开 始 时 场敏 感 区 域 的 网 格 划 分 不 够 仔 细 ， 导 致 计 算 结 果 的 偏 差 。2.7、 关 于 所 需 要 的 精 度计 算 问 题 时 ， 一 般 需 要 给 定 一 个 收 敛 精 度 和 计 算 次 数 以 避 免 程 序 陷 入计 算 而 无 法 自 拔 ， 当 对 模 型 熟 悉 后 ， 可 以 单 单 靠 给 定 次 数 。 在 问 题 之 初 ， 建议 的 计 算 精 度 不 要 太 高 ， 实

14、际 中 曾 见 到 有 操 作 者 将 问 题 的 S 参 数 精 度 设定 为 0.00001， 其 实 这 是 完 全 没 有 必 要 的 ， 一 般 S 参 数 的 精 度 设 定 为0.02 左右 就 已 经 可 以 满 足 绝 大 部 分 问 题 的 需 要 （ 此 时 应 该 注 意 有 无 收 敛 反 弹 的 情 况 ） 。如 果 是 计 算 次 数 ， 对 于 密 闭 问 题 ， 建 议 是 设 定 为 8 12 次 ， 对 于 辐 射 问题 ， 一 般 计 算 6 8 次 左 右 即 可 观 察 结 果 ， 如 果 不 够 再 决 定 是 否 继 续 计 算 。2.8、 关

15、于 扫 描HFSS 提 供 一 个 扫 描 功 能 ， 分 3 种 方 式 ： 快 速 、 离 散 和 插 值 。 其 中 离 散 扫 描只 保 留 最 后 一 个 频 点 的 场 结 果 ， 其 计 算 时 间 是 单 个 频 点 计 算 时 间 之 和 ； 对 快 速扫 描 ， 将 可 以 得 到 所 计 算 的 频 率 范 围 内 的 所 有 频 率 场 结 果 ， 但 是 其 计 算 速 度 和频 点 多 少 关 系 不 大 ， 基 本 和 模 型 复 杂 程 度 正 比 ， 有 时 扫 描 计 算的 时 间 非 常 长 ， 如 果 不 是 特 别 需 要 关 心 所 有 的 场 情

16、况 ， 建 议 选 用 离 散 扫 描 ， 对于 特 别 巨 大 的 问 题 ， 则 是 以 快 速 扫 描 为 宜 。 而 插 值 方 式 比 较 少 用 。2.9、 关 于 问 题 的 规 模HFSS 所 能 计 算 的 问 题 规 模 与 计 算 机 硬 件 关 系 很 大 ， 其 次 是 所 使 用 的 操 作 系 统 。在 HFSS8 里 ， 问 题 描 述 矩 阵 的 阶 基 本 和 网 格 数 正 比 ， 对 于 四 面 体 上10 万 的 问 题 也 能 游 刃 有 余 （ 只 要 机 器 够 好 ） ， 然 而 这 并 非 是 指 实 际 问 题 的电 尺 寸 ， 实 际 上 ， 要 精 确 计 算 一 个 计 算 机 网 络 电 缆 接 头 （ RJ45） 所 需要 的时 间 和 资 源 并 不 比 计 算 一 个 有 一 个 波 长 电 尺 寸 的 一 般 辐 射 问 题 少 多 少 ， 所 以 实际 上 其 计 算 规 模 的 主 要 约 束 是 问 题 的 复 杂 程 度 ， 而 复 杂 程 度 里 面 包 含 了 电