HFSS使用心得及边界、端口详解

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1、HFS S 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M ic r oW av e S t ud i o （ 微 波 工 作 室 ） 、 美 国A nsof t 公 司 的HFS S（ 高 频 电 磁 场 仿 真 ） ， 而 诸 如Ze l an d 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M W S的 前 后 处 理 界 面 及 操 作 感 比HFS S 好 很 多 ， 然 而A nsof t 也 意 识 到 了 自 己 的 缺 点 ， 在

2、将 要 推 出 的 新 版 本HFS S（ 定 名 为A n softDe si gn er ）中 ，界 面 及 操 作 都 得 到 了 极 大 的 改 善 ，完 全 可 以 和C ST 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 A N SOFT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

3、 排 。值 得 注 意 的 是 ， M W S 采 用 的 理 论 基 础 是FIT ，所 以M WS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HFS S 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HFS S 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

4、 。由 于A n so f t 进 入 中 国 市 场 较 早 ， 所 以 目 前 国 内 的HFS S 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A n sof t HFS S 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

5、 节 外 ， 建模 者 本 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HFS S， 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

6、 好 采 用 对称 ， 甚 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

7、 要 的 物 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、 Lu mp P o r t （ 集 中 端 口 ） 的 使 用在HFS S8 里 提 供 了 一 种 新 的 激 励 ：Lu m p P o r t ，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

8、， 也 减 少 了 计 算时 间 。 Lu mpPo r t 也 可 以 使 用 一 个 面 来 代 表 ， 要 注 意 的 是 对 该Po r t 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

9、 图 时 ， 必 须 设 置 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

10、 球 中 时 ， 宜 采 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2 d B） ， 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HFS S8 中 提 供 了 一 种 新 的 吸 收 边 界 - - PM L 边 界 条 件 ， 对 于 这 种 边 界 ， 笔 者 并不 是 很 满 意 ，

11、 尽 管 其 有 效 距 离 为 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/ N

12、 at r ue 边 界 条 件 ， 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

13、 工 划 分 可 以 得 到 很 好 的 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

14、的 计 算 精 度 不 要 太 高 ，实 际 中 曾 见 到 有 操 作 者 将 问 题 的S 参 数精 度 设 定 为0. 00 001 ， 其 实 这 是 完 全 没 有 必 要 的 ， 一 般S 参 数 的 精 度 设定 为0.0 2 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

15、 继 续 计 算 。2. 8、 关 于 扫 描HFS S 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

16、要 关 心 所 有 的 场 情 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HFS S 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HFS S8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（ R J4 5 ）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