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1、电磁工程设计与仿真 第二章 HFSS仿真原理与使用方法 主要内容 2.2 HFSS仿真类型与过程 2.3 HFSS使用方法与技巧 2.1 HFSS仿真原理-有限元法 2.1 HFSS仿真原理-有限元法 一、微波问题数值分析方法 1. 电磁场方程 (1)有源激励问题 （Driven Model） 边界条件 波动方程: 边界条件 Maxwell方程: (2)无源本征值问题 (Eigenvalue Model） 边界条件 波动方程: 边界条件 Maxwell方程: (3)算子表示： 区域 边界 L,B:微分或积分算子 u:电磁场量E或H g,q:域内或边界源量 2. 加权残数法 (1)场量u离散化：
2、正交完备基函数 的加权和。 函数通过内积形成泛函，即从矢量 函数空间到标量函数空间的映射。 求函数u求系数a 连续离散 函数代数 (2)加权残数法：。 u近似解： 权函数=基函数，伽略金法(Galerkin) 权函数内积构成误差泛函： 2. 加权残数法 (3)线性代数方程： 矩阵方程组： 求方程组au N越大，越接近真解，计算量越大 矩量法、有限元法基于此方法求解 矩量法（Method of Moment, MoM）：基于积分方程求解 有限元法（Finite Element Method, FEM）：基于微分方程求解 线性方程组： 二、有限元法 1. HFSS的仿真方程无源 矢量E波动方程：H
3、FSS仿真基础 问题：两边同乘ur，可以吗？ 2. HFSS的离散单元 基函数：全域基函数，满足边界，较难。 分域基函数，全域分成很多离散单元。 空间离散化(many smaller subsections)。 离散单元：四面体（tetrahedra） 四面体是较好选择： 其他选择：矩形块、六面体 能模拟任意形状的几何体 数值解的精度高 网格(Mesh)：节点总数N 网格越细，N越大 未知量越多，计算量越大 计算精度越高 2. HFSS的离散单元 棱边元：矢量有限元，四面体内场的插值方法。 棱边i的矢量基函数 棱边i的未知系数 zero order basis function: first
4、order basis function: makes use of nodal values at edges only. 每个四面体6个未知量 Second order basis function: 20 unknowns per tetrahedron. 45 unknowns per tetrahedron. nodal values at vertices, on edges and on faces. 3. HFSS的场求解 权函数 作内积 散度定理 代入E式 线性方程组 矩阵方程组 A：稀疏矩阵 注：四面体元内ai不为零 4. HFSS的方程组求解 直接法：矩阵A求逆，通常采用
5、LU分解法，A=LU 一般计算复杂度： HFSS稀疏矩阵算法： 迭代法：给定初值a0: 迭代过程（CG）： 收敛判断： 一般计算复杂度： HFSS稀疏矩阵算法： HFSS自适应迭代法： 2.2 HFSS仿真类型与过程 The computational volume and its parts: Solution space：consists of all the regions and objects within which a user wants to determine the EM fields, within which HFSS explicitly calculates al
6、l EM fields. Outside boundaries: the outer- most surfaces, or faces. Any field quantities that are outside this volume can be derived from the fields within it. 注意：HFSS的背景通常 默认为理想导体 2.2 HFSS仿真类型与过程 The four solution types： Using HFSS, select type of solution needs to calculate： 1. Driven Modal: S-ma
7、trix of incident and reflected powers of WG modes. 2. Driven Terminal: S-matrix of terminal voltages and currents. 3. Eigen-mode: resonant frequency and fields at a particular resonance. 4. Transient: Calculating problems in the time domain. Coupled Cavity resonator analyzed using Eigenmode solver C
8、oplanar Microstrip structure analyzed using Driven Modal Coplanar Microstrip structure analyzed using Driven Terminal 2.2 HFSS仿真类型与过程 The six general steps in an HFSS simulation： 2.3 HFSS使用方法与技巧 一、HFSS 工作环境（Desktop） 一、HFSS 工作环境 一、HFSS 工作环境 一、HFSS 工作环境 一、HFSS 工作环境 HFSS仿真过程： 1.运行HFSS，建立项目（Project, #.h
9、fss） 2.插入一个设计(Design) 3.选择求解器类型(Solution Type) 4.设置合适的单位(Units) 5.建立模型（Model） 6.设置边界条件（Bounderies） 7.设置激励（Excitions） 8.设置求解频率等（Solution Setup） 9.检查当前工程的有效性（Validation check） 10.求解当前工程（Analyze all） 11.创建结果报告（Results） 六大步骤 四个准备 二、HFSS项目与设计 1.项目操作 File New, Open, Save, Save as Edit Delete, Rename 创建：Wa
10、veguide.hfss 2.插入设计 Project Insert HFSS design 创建：WG 3.求解类型 HFSS Solution Type 4.设置单位 Modeler Units 三、HFSS 建模（Model） 1.建立矩形体（波导） Position:(0,0,0); Dx=50mm; Dy=22.86mm, Dz=10.16mm 输入坐标方式： 鼠标点击输入，再修改特性： 2.修改实体特性：名称，透明度 3.修改可见性： View-Hide,Show,Active view 5.线、面、体的选择： Edit-Select/Deselect，V/E/F/O/M 6.定位
11、功能： 网格、顶点、边中点、面中点 4.旋转、缩放：Rotate，Zoom 三、HFSS 激励设置 激励设置在端口（Port）处； HFSS有8中激励形式； 选择合适的激励； 常用波端口激励。 三、HFSS 激励设置 波端口（Wave Port）：外部端口 通过传输线方式对微波结构施加激励。 HFSS处理： 1.假设连接与端口相同形状与材料的半无限长波导。 2.每个波端口的二维场解为三维问题提供端口上的边界条件。 二维端口场 采用2D有限元方法求解。 三、HFSS 激励设置 波端口设置技巧： 三、HFSS 激励设置 波端口设置技巧： 1.选择端口面-右键-Assign Excitation-W
12、ave Port; 2.端口名：Port1 3.模式：模式数，积分线，特性阻抗Z0，极化 4.端口处理：归一化，参考面移动（Deembeded） 四、HFSS 边界条件 激励设置在端口（Port）处； HFSS有8中激励形式； 选择合适的激励； 常用波端口激励。 六、HFSS 材料设置 材料参数： 1.相对磁导率： 2.相对介电常数： 3.导电率： 4.介电常数损耗角正切： 5.磁损耗角正切： 6.各向异性材料： 六、HFSS 材料设置 使用材料库： ToolsEdit Configured LibrariesMaterials 六、HFSS 材料设置 材料设置： 方式1：Select Obj
13、ect-Right Click-Assign Materials 方式2：Select object-Edit-Properties 七、HFSS 求解设置 设置内容： 1.基函数设置； 2.矩阵方程求解器设置； 3.自适应求解设置； 4.频率扫描设置； 七、HFSS 求解设置 自适应求解设置： 七、HFSS 求解设置 矩阵方程求解器和基函数设置： 迭代求解，不收敛时直 接法； 迭代精度。 基函数选择 迭代参数 七、HFSS 求解设置 频率扫描设置： 快速扫描 离散扫描 内插扫描 八、HFSS 有效性检查和求解 九、HFSS 结果报告 1.端口场显示： 口径场符合波导TE10模分布规律 九、H
14、FSS 结果报告 2.内部场显示： 选择波导上表面-HFSS-Fields 九、HFSS 结果报告 2.内部场显示： 场分布符合波导TE10模分布规律。 九、HFSS 结果报告 3.动画显示： View-Animate 九、HFSS 结果报告 4.S参数结果： 九、HFSS 结果报告 4.S参数结果： 达到预期结果：S21-1; S11-0 十、拓展：波导不连续性仿真 对称膜片尺寸： 厚度0-1mm 宽度1-8mm 高度10.16mm 1.添加膜片 2.Subtract 3.仿真:8-12GHz 场分布；S参数 十、拓展：波导不连续性仿真 十、拓展：波导不连续性仿真 Export Data：H
15、FSS-Results-Solution Data 十、拓展：波导不连续性仿真 去嵌入技术： 十、拓展：波导不连续性仿真 等效电路提取： (1)近似公式 (2)HFSS提取 十、拓展：波导不连续性仿真 等效参数结果： Freq（GHz） Normalized G,B HFSS G HFSS B 近似公式 Width=4mm t=1.0mm Freq（GHz） Width=4mm t=0.2mm 十、拓展：波导不连续性仿真 等效参数结果： Normalized G,B HFSS G HFSS B 近似公式 Width=4mm t=1.0mm f=10GHz Width(mm)Freq（GHz） Normalized B Width=4mm t=1.0mm t=0.2mm t=0mm t=0.1mm