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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MicroWaveStudio（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，在将要推出的新版本HFSS（定名为AnsoftDesigner）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Ansoft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AnsoftHFSS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、LumpPort（集中端口）的使用在HFSS8里提供了一种新的激励：LumpPort，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，也减少了计算时间。LumpPort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HFSS8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，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尺寸、结构复杂度等要素。由此提醒我们建模时应该尽量简化模型。一般来说，除了在激励区，当结构电尺寸比二十分之一波长还小时，可以忽略它的存在而不会引入明显的误差，这一点在解决问题之初很有效，可以迅速发现问题的关键；当问题的主要要求满足后，再将模型细化以获得更加精确的结果。AnsoftHFSS的边界条件及端口设置用AnsoftHFSS求解的波动方程是由微分形式的麦克斯韦方程推导出来的。在这些场矢量和它们的导数是都单值、有界而且沿空间连续分布的假设下，这些表达式才可以使用。在边界和场源处，场是不连续的，场的导数变得没有意义。因此，边界条件确定了跨越不连续边界处场的性质。作为一个AnsoftHSS用户你必须时刻都意识到由边界条件确定场的假设。由于边界条件对场有制约作用的假设，我们可以确定对仿真哪些边界条件是合适的。对边界条件的不恰当使用将导致矛盾的结果。当边界条件被正确使用时，边界条件能够成功地用于简化模型的复杂性。事实上，AnsoftHSS能够自动地使用边界条件来简化模型的复杂性。对于无源RF器件来说，AnsoftHSS可以被认为是一个虚拟的原型世界。与边界为无限空间的真实世界不同，虚拟原型世界被做成有限的。为了获得这个有限空间，AnsoftHSS使用了背景或包围几何模型的外部边界条件。模型的复杂性通常直接与求解问题所需的时间和计算机硬件资源直接联系。在任何可以提高计算机的硬件资源性能的时候，提高计算机资源的性能对计算都是有利的。§2.2一般边界条件有三种类型的边界条件。第一种边界条件的头两个是多数使用者有责任确定的边界或确保它们被正确的定义。材料边界条件对用户是非常明确的。1、激励源波端口（外部）集中端口（内部）2、表面近似对称面理想电或磁表面辐射表面背景或外部表面3、材料特性两种介质之间的边界具有有限电导的导体§2.3背景如何影响结构所谓背景是指几何模型周围没有被任何物体占据的空间。任何和背景有关联的物体表面将被自动地定义为理想的电边界（PerfectE）并且命名为外部（outer）边界条件。你可以把你的几何结构想象为外面有一层很薄而且是理想导体的材料。如果有必要，你可以改变暴露于背景材料的表面性质，使其性质与理想的电边界不同。为了模拟有耗表面，你可以重新定义这个边界为有限电导（FiniteConductivity）或阻抗边界（Impedanceboundary）。有限电导边界可以是一种电导率和导磁率均为频率函数的有耗材料。阻抗边界默认在所有频率都具有相同的实数或复数值。为了模拟一个允许波进入空间辐射无限远的表面，重新定义暴露于背景材料的表面为辐射边界（RadiationBoundary）。背景能够影响你怎样给材料赋值。例如，你要仿真一个充满空气的矩形波导，你可以创建一个具有波导形状特性为空气的简单物体。波导表面自动被假定为良导体而且给出外部（outer）边界条件，或者你也可以把它变成有损导体。§2.4边界条件的技术定义激励（Excitation）——激励端口是一种允许能量进入或导出几何结构的边界条件。理想电边界（PerfectE）——PerfectE是一种理想电导体或简称为理想导体。这种边界条件的电场（E-Field）垂直于表面。有两种边界被自动地赋值为理想电边界。1、任何与背景相关联的物体表面将被自动地定义为理想电边界并且命名为outer的外部边界条件。2、任何材料被赋值为PEC（理想电导体）的物体的表面被自动的赋值为理想电边界并命为smetal边界。理想磁边界（PerfectH）——PerfectH是一种理想的磁边界。边界面上的电场方向与表面相切。自然边界（Natural）——当理想电边界与理想磁边界出现交叠时，理想磁边界也被称为Natural边界。理想磁边界与理想电边界交叠的部分将去掉理想电边界特性，恢复所选择区域为它以前的原始材料特性。它不会影响任何材料的赋值。例如，可以用它来模拟地平面上的同轴线馈源图案。有限电导率（FiniteConductivity）边界——有限电导率边界将使你把物体表面定义有耗（非理想）的导体。它是非理想的电导体边界条件。并且可类比为有耗金属材料的定义。为了模拟有耗表面，你应提供以西门子/米（Siemens/meter）为单位的损耗参数以及导磁率参数。计算的损耗是频率的函数。它仅能用于良导体损耗的计算。其中电场切线分量等于Zs(nxHtan)。表面电阻（Zs）就等于(1+j)/(ds)。其中，d是趋肤深度；导体的趋肤深度为w是激励电磁波的频率.s是导体的电导率µ是导体的导磁率阻抗边界（Impedance）——一个用解析公式计算场行为和损耗的电阻性表面。表面的切向电场等于Zs(nxHtan)。表面的阻抗等于Rs+jXs。其中，Rs是以ohms/square为单位的电阻Xs是以ohms/square为单位的电抗分层阻抗（LayeredImpedance）边界——在结构中多层薄层可以模拟为阻抗表面。使用分层阻抗边界条件进一步的信息可以在在线帮助中寻找。集总RLC（LumpedRLC）边界——一组并联的电阻、电感和电容组成的表面。这种仿真类似于阻抗边界，只是软件利用用户提供的R、L和C值计算出以ohms/square为单位的阻抗值。无限地平面（InfiniteGroundPlane）——通常，地面可以看成是无限的、理想电壁、有限电导率或者是阻抗的边界条件。如果结构中使用了辐射边界，地面的作用是对远区场能量的屏蔽物，防止波穿过地平面传播。为了模拟无限大地平面的效果，在我们定义理想电边界、有限电导或阻抗边界条件时，在无限大地平面的框子内打勾。辐射边界（Radiation）——辐射边界也被称为吸收边