HFSS 電磁模擬設計從入門到精通

李明洋，有着多年HFSS使用经验的工程师，在微波射频和天线设计领域有很好的研究，曾参加多个国家项目的设计，曾出版多本HFSS专业书籍。

目　錄

 

上篇　基礎篇

 

第 1章　HFSS概述　2

1.1　HFSS簡介　2

1.2　啟動HFSS　4

1.3　HFSS工程的通用設置　5

1.3.1　設置工程文件的默認路徑　5

1.3.2　新建設計文件設置　5

1.4　HFSS設計流程　6

 

第 2章　入門實例——T形波導的內場分析和優化設計　7

2.1　設計概述　7

2.2　T形波導內場分析　8

2.2.1　新建工程設置　8

2.2.2　創建T形波導模型　8

2.2.3　分析求解設置　16

2.2.4　運行模擬分析　18

2.2.5　查看分析計算結果　19

2.2.6　保存設計並退出HFSS　21

2.3　T形波導的優化分析　21

2.3.1　新建一個優化設計工程　21

2.3.2　參數掃描分析設置和模擬分析　21

2.3.3　查看參數掃描分析結果　24

2.3.4　優化設計　25

2.3.5　查看優化結果　27

2.3.6　保存並退出HFSS　28

 

第3章　HFSS工作界面　29

3.1　HFSS工作界面　29

3.1.1　主菜單欄　30

3.1.2　工具欄　38

3.1.3　工程管理窗口　39

3.1.4　屬性窗口　39

3.1.5　三維模型窗口　39

3.1.6　信息管理窗口　40

3.1.7　進程窗口　40

3.1.8　狀態欄　41

3.2　柵格顯示和柵格平面　41

3.3　顯示坐標系　41

3.4　本章小結　42

 

第4章　HFSS中的建模操作　43

4.1　創建長方體模型　43

4.1.1　創建長方體模型的操作步驟　44

4.1.2　物體屬性對話框的詳細解釋　46

4.2　HFSS中的基本模型及其創建　47

4.2.1　鼠標光標的移動模式　47

4.2.2　捕捉模式(Snap Mode)　47

4.2.3　物體的基本模型　48

4.3　物體的材料屬性　51

4.3.1　編輯物體材料庫　52

4.3.2　設置物體模型的材料　53

4.4　改變視圖　54

4.4.1　改變視圖的操作命令　54

4.4.2　顯示和隱藏物體模型　56

4.5　選擇模式與操作　56

4.5.1　選擇模式　56

4.5.2　選擇操作　57

4.5.3　多重選擇　58

4.6　物體模型的幾何變換　58

4.7　物體模型的布爾運算操作　61

4.8　HFSS中的坐標系　64

4.8.1　相對坐標系　65

4.8.2　面坐標系　66

4.9　建模相關選項的設置　67

4.10　本章小結　68

 

第5章　邊界條件和激勵　69

5.1　概述　69

5.2　邊界條件的類型和設置　70

5.2.1　理想導體邊界條件　70

5.2.2　理想磁邊界條件　71

5.2.3　有限導體邊界條件　72

5.2.4　輻射邊界條件　73

5.2.5　對稱邊界條件　75

5.2.6　阻抗邊界條件　77

5.2.7　集總RLC邊界條件　78

5.2.8　分層阻抗邊界條件　79

5.2.9　無限地平面邊界條件　80

5.2.10　主從邊界條件　80

5.2.11　理想匹配層　83

5.3　激勵的類型和設置　83

5.3.1　波埠激勵　83

5.3.2　波埠激勵的設置步驟　86

5.3.3　集總埠激勵　90

5.3.4　Floquet埠激勵　93

5.3.5　入射波激勵　94

5.3.6　電壓源激勵　94

5.3.7　電流源激勵　95

5.3.8　磁偏置激勵　95

5.4　本章小結　95

 

第6章　HFSS求解器和求解分析設置　96

6.1　求解器和求解類型　96

6.1.1　HFSS求解器　97

6.1.2　HFSS-IE求解器　98

6.2　自適應網格剖分　99

6.2.1　收斂標準　99

6.2.2　收斂精度　100

6.2.3　自適應網格剖分頻率的選擇　100

6.3　求解設置　101

6.3.1　添加和定義求解設置　101

6.3.2　修改和刪除已添加的求解設置　105

6.4　掃頻分析　105

6.4.1　掃頻類型　106

6.4.2　添加和定義掃頻設置　107

6.4.3　修改和刪除已添加的掃頻項　110

6.5　設計檢查和運行模擬分析　110

6.5.1　設計檢查　110

6.5.2　運行模擬分析　111

6.6　本章小結　111

 

第7章　HFSS中的變量和Optimetrics　112

7.1　變量　112

7.1.1　變量類型　112

7.1.2　變量定義　113

7.1.3　添加、刪除和使用變量　114

7.2　Optimetrics模塊　117

7.3　參數掃描分析　117

7.4　優化設計　119

7.4.1　初始設計　119

7.4.2　定義優化變量　119

7.4.3　構造目標函數　120

7.4.4　優化算法　121

7.5　調諧分析　124

7.6　靈敏度分析　124

7.7　統計分析　124

7.8　Optimetrics應用實例　125

7.8.1　定義變量　126

7.8.2　參數掃描分析舉例　128

7.8.3　優化設計舉例　131

7.8.4　調諧分析舉例　135

7.8.5　靈敏度分析舉例　136

7.8.6　統計分析舉例　139

7.9　本章小結　142

 

第8章　HFSS的數據後處理　143

8.1　求解信息數據　143

8.2　數值結果　145

8.2.1　數值結果的顯示方式　145

8.2.2　數值結果的類型　146

8.2.3　輸出變量　147

8.2.4　查看數值結果的操作步驟　148

8.2.5　編輯圖形顯示結果報告　150

8.3　場分佈圖　151

8.3.1　繪制場分佈圖的操作步驟　153

8.3.2　場分佈的動態顯示　154

8.4　天線輻射問題的後處理　155

8.4.1　定義遠區場輻射錶面　156

8.4.2　天線方向圖　157

8.4.3　天線參數　159

8.4.4　HFSS中天線陣的處理　162

8.5　本章小結　166

 

下篇　實踐篇

 

第9章　HFSS環形定向耦合器設計實例　168

9.1　環形定向耦合器簡介　168

9.2　使用HFSS設計環形定向耦合器概述　169

9.2.1　耦合器的理論計算　169

9.2.2　HFSS設計簡介　170

9.2.3　HFSS設計環境概述　170

9.3　新建HFSS工程　170

9.4　創建環形定向耦合器模型　171

9.4.1　設置默認的長度單位　171

9.4.2　建模相關選項設置　171

9.4.3　定義變量length　172

9.4.4　添加新材料　173

9.4.5　創建帶狀線介質層模型　174

9.4.6　創建帶狀線金屬層模型　176

9.5　分配邊界條件和激勵　180

9.6　求解設置　183

9.6.1　求解設置　183

9.6.2　掃頻設置　183

9.7　設計檢查和運行模擬分析　184

9.7.1　設計檢查　184

9.7.2　運行模擬分析　184

9.8　查看模擬分析結果　185

9.8.1　查看S參數掃頻結果　185

9.8.2　查看4GHz頻點的S矩陣　186

9.9　結果討論　187

9.9.1　重新模擬驗證S矩陣結果　187

9.9.2　使用埠平移功能驗證S矩陣結果　188

9.10　本章小結　190

 

第 10章　HFSS微帶天線設計實例　191

10.1　微帶天線簡介　191

10.1.1　微帶天線結構　192

10.1.2　微帶天線的輻射機理　192

10.1.3　微帶天線的饋電　192

10.1.4　矩形微帶天線的特性參數　193

10.2　設計指標和天線幾何結構參數計算　195

10.3　HFSS設計和建模概述　195

10.3.1　微帶天線建模概述　196

10.3.2　HFSS設計環境概述　197

10.4　新建HFSS工程　197

10.5　創建微帶天線模型　198

10.5.1　設置默認的長度單位　198

10.5.2　建模相關選項設置　198

10.5.3　添加和定義設計變量　198

10.5.4　創建介質基片　199

10.5.5　創建輻射貼片　201

10.5.6　創建參考地　202

10.5.7　創建同軸饋線的內芯　203

10.5.8　創建信號傳輸埠面　203

10.6　設置邊界條件和激勵　205

10.6.1　設置邊界條件　205

10.6.2　設置埠激勵　207

10.7　求解設置　208

10.7.1　求解頻率和網格剖分設置　208

10.7.2　掃頻設置　208

10.8　設計檢查和運行模擬分析　209

10.8.1　設計檢查　209

10.8.2　運行模擬分析　209

10.9　查看天線回波損耗　210

10.10　參數掃描分析　211

10.10.1　分析諧振頻率隨輻射貼片長度L0的變化關系　211

10.10.2　分析諧振頻率隨輻射貼片寬度W0的變化關系　212

10.10.3　輸入阻抗和同軸線饋電點位置的變化關系　214

10.11　優化設計　216

10.11.1　設置優化變量　217

10.11.2　添加優化設計　217

10.11.3　運行優化設計查看優化結果　219

10.12　查看優化後的天線性能　219

10.12.1　重新運行模擬分析　220

10.12.2　查看天線性能　220

10.13　本章小結　225

 

第 11章　HFSS陣列天線分析　226

11.1　HFSS設計概述　226

11.1.1　陣元模型　227

11.1.2　HFSS設計環境概述　228

11.2　新建工程　228

11.3　創建陣元模型　228

11.3.1　設置默認的長度單位　228

11.3.2　建模相關選項設置　229

11.3.3　創建波導陣元　229

11.3.4　創建陣元外的自由空間模型　231

11.4　分配邊界條件和激勵　232

11.4.1　設置CellBox左右兩側錶面為一對主從邊界條件　232

11.4.2　設置CellBox前後錶面為一對主從邊界條件　235

11.4.3　為陣元波導底面分配波埠激勵　236

11.4.4　為CellBox上錶面分配Floquet埠激勵　236

11.5　求解設置　239

11.6　設計檢查和運行模擬分析　239

11.6.1　設計檢查　239

11.6.2　運行模擬分析　240

11.7　查看模擬分析結果　240

11.7.1　定義輻射錶面　241

11.7.2　查看天線陣元場強方向圖　242

11.7.3　查看天線陣列的場強方向圖　244

11.8　本章小結　246

 

第 12章　HFSS差分信號分析實例　247

12.1　HFSS設計概述　247

12.1.1　HFSS求解類型和建模簡述　248

12.1.2　求解頻率和掃頻設置　249

12.1.3　HFSS設計環境概述　249

12.2　新建工程　249

12.3　創建帶狀線差分對模型　250

12.3.1　設置默認的長度單位　250

12.3.2　建模相關選項設置　250

12.3.3　創建差分信號線模型　250

12.3.4　創建FR4介質層　253

12.3.5　添加和使用變量　255

12.4　分配埠激勵　256

12.4.1　創建波埠激勵錶面　256

12.4.2　分配波埠激勵和差分信號對　258

12.4.3　設置差分信號線　258

12.4.4　埠平移　259

12.5　求解設置　260

12.5.1　求解頻率設置　260

12.5.2　掃頻設置　260

12.6　設計檢查和運行模擬分析　261

12.6.1　設計檢查　261

12.6.2　運行模擬分析　262

12.7　數據後處理　262

12.7.1　差模信號的S參數掃頻分析結果　262

12.7.2　共模信號的S參數掃頻分析結果　263

12.7.3　埠的差模阻抗和共模阻抗　264

12.7.4　埠處差模信號和共模信號的電場分佈　264

12.8　本章小結　266

 

第 13章　HFSS諧振腔體分析實例　267

13.1　圓柱形腔體諧振器簡介　267

13.2　HFSS設計概述　269

13.2.1　HFSS建模和求解簡介　269

13.2.2　HFSS設計環境概述　270

13.3　新建工程　270

13.4　創建圓形諧振腔模型　271

13.4.1　設置默認的長度單位　271

13.4.2　建模相關選項設置　271

13.4.3　創建圓形諧振腔體模型　271

13.5　邊界條件和激勵　273

13.6　求解設置　274

13.7　設計檢查和運行模擬分析　274

13.7.1　設計檢查　274

13.7.2　運行模擬分析　275

13.8　結果分析　275

13.8.1　諧振頻率和品質因數Q　275

13.8.2　腔體內部電磁場的分佈　276

13.9　參數掃描分析　279

13.9.1　定義設計變量　279

13.9.2　創建介質圓柱體　280

13.9.3　添加參數掃描分析設置　282

13.9.4　運行參數掃描分析　283

13.9.5　參數掃描分析結果　283

13.10　本章小結　284

 

第 14章　HFSS計算SAR工程實例　285

14.1　設計背景　285

14.2　HFSS設計概述　286

14.2.1　建模概述　286

14.2.2　HFSS設計環境概述　287

14.3　新建工程　287

14.3.1　運行HFSS並新建工程　287

14.3.2　設置求解類型　287

14.3.3　設置默認長度單位　288

14.3.4　建模相關選項設置　288

14.4　創建偶極子天線模型　288

14.4.1　創建相對坐標系　288

14.4.2　創建偶極子天線模型　289

14.4.3　給偶極子天線分配集總埠激勵　292

14.5　創建外殼和腦組織液模型　294

14.5.1　創建第 一個球體　294

14.5.2　創建第 二個球體　297

14.5.3　生成外殼和腦組織液模型　299

14.6　創建SAR的計算線　300

14.7　分配輻射邊界條件　301

14.8　求解設置　302

14.9　設計檢查和運行模擬分析　303

14.9.1　設計檢查　303

14.9.2　運行模擬分析　303

14.10　查看分析結果　304

14.10.1　SAR計算結果　304

14.10.2　BrainFluid模型內部的電場分佈　305

14.11　本章小結　306

 

第 15章　HFSS雷達散射截面分析實例　307

15.1　雷達散射截面介紹　307

15.2　HFSS設計及其設計環境概述　309

15.3　新建HFSS工程　309

15.4　設計建模　311

15.4.1　創建長方體模型　311

15.4.2　設置PML邊界條件　312

15.5　求解設置　314

15.6　雙站RCS分析　314

15.6.1　定義入射波激勵　314

15.6.2　設計檢查並運行模擬分析　315

15.6.3　查看雙站RCS分析結果　316

15.7　單站RCS分析　318

15.7.1　定義入射波激勵　318

15.7.2　運行模擬分析　319

15.7.3　查看單站RCS分析結果　319

15.8　本章小結　320

 

第 16章　HFSS時域求解器應用實例　321

16.1　HFSS時域求解器和TDR分析　321

16.1.1　HFSS時域求解器簡介　321

16.1.2　TDR分析介紹　321

16.2　HFSS設計概述　322

16.3　新建HFSS工程　323

16.4　設計建模　325

16.4.1　創建同軸線結構模型　325

16.4.2　設置埠激勵　331

16.5　求解設置　333

16.6　設計檢查和運行模擬分析　334

16.7　查看TDR分析結果　335

16.8　本章小結　337

 

第 17章　HFSS-IE求解器應用實例　338

17.1　HFSS-IE求解器介紹　338

17.2　HFSS設計及其設計環境概述　339

17.3　新建HFSS工程　340

17.4　設計建模　341

17.4.1　創建曲線　341

17.4.2　創建紡錘形金屬體　342

17.5　設置平面波激勵　343

17.6　求解設置　344

17.7　設計檢查和運行模擬分析　344

17.7.1　設計檢查　344

17.7.2　運行模擬分析　345

17.8　查看分析結果　345

17.9　本章小結　347