HFSS电磁仿真设计应用详解

第1章 HFSS概述 1

1.1 HFSS简介 1

1.2 启动HFSS 3

1.3 设置HFSS工程文件的默认路径 4

1.4 HFSS设计流程 4

第2章 入门实例——T形波导的内场分析和优化设计 6

2.1 设计概述 6

2.2 T形波导内场分析 7

2.2.1 新建工程设置 7

2.2.2 创建T形波导模型 8

2.2.3 分析求解设置 15

2.2.4 查看分析计算结果 17

2.2.5 保存设计并退出HFSS 21

2.3 T形波导的优化分析 21

2.3.1 新建一个优化设计工程 21

2.3.2 参数扫描分析设置和仿真分析 21

2.3.3 查看参数扫描分析结果 25

2.3.4 优化设计 27

2.3.5 查看优化结果 29

2.3.6 保存并退出HFSS 30

第3章 HFSS工作界面 31

3.1 HFSS工作界面 31

3.1.1 主菜单栏 32

3.1.2 工具栏 40

3.1.3 工程管理窗口 41

3.1.4 属性窗口 42

3.1.5 三维模型窗口 42

3.1.6 信息管理窗口 42

3.1.7 进程窗口 43

3.1.8 状态栏 43

3.2 栅格显示和栅格平面 43

3.3 显示坐标系 44

第4章 HFSS中的建模操作 45

4.1 创建长方体模型 45

4.1.1 创建长方体模型的操作步骤 46

4.1.2 物体“属性”对话框的详细解释 48

4.2 HFSS中的基本模型及其创建 49

4.2.1 鼠标光标的移动模式 49

4.2.2 捕捉模式(Snap Mode) 50

4.2.3 物体的基本模型 51

4.3 物体的材料属性 54

4.3.1 编辑物体材料库 55

4.3.2 设置物体模型的材料 56

4.4 改变视图 57

4.4.1 改变视图的操作命令 57

4.4.2 显示和隐藏物体模型 58

4.5 选择操作 59

4.5.1 选择模式 59

4.5.2 选择操作 60

4.5.3 多重选择 61

4.6 物体模型的几何变换 61

4.7 物体模型的布尔运算操作 64

4.8 HFSS中的坐标系 66

4.8.1 相对坐标系 67

4.8.2 面坐标系 68

4.9 建模相关选项的设置 69

第5章 边界条件和激励 72

5.1 概述 72

5.2 边界条件的类型和设置 73

5.2.1 理想导体边界条件 73

5.2.2 理想磁边界条件 74

5.2.3 有限导体边界条件 76

5.2.4 辐射边界条件 77

5.2.5 对称边界条件 78

5.2.6 阻抗边界条件 80

5.2.7 集总RLC边界条件 82

5.2.8 分层阻抗边界条件 83

5.2.9 无限地平面边界条件 84

5.2.10 主从边界条件 84

5.2.11 理想匹配层 87

5.3 激励的类型和设置 87

5.3.1 波端口激励 88

5.3.2 波端口激励的设置步骤 90

5.3.3 集总端口激励 95

5.3.4 Floquet端口激励 98

5.3.5 入射波激励 98

5.3.6 电压源激励 99

5.3.7 电流源激励 100

5.3.8 磁偏置激励 100

第6章 HFSS网格剖分和分析设置 101

6.1 求解类型 101

6.2 自适应网格剖分 102

6.2.1 收敛标准 102

6.2.2 收敛精度 104

6.2.3 自适应网格剖分频率的选择 104

6.3 求解设置 105

6.3.1 添加和定义求解设置 105

6.3.2 修改和删除已添加的求解设置 109

6.4 扫频分析 110

6.4.1 扫频类型 110

6.4.2 添加和定义扫频设置 111

6.4.3 修改和删除已添加的扫频项 114

6.5 设计检查和运行仿真分析 114

6.5.1 设计检查 115

6.5.2 运行仿真分析 115

第7章 HFSS中的变量和Optimetrics 117

7.1 变量 117

7.1.1 变量类型 117

7.1.2 变量定义 118

7.1.3 添加、删除和使用变量 120

7.2 Optimetrics模块功能简介 123

7.3 参数扫描分析 123

7.4 优化设计 124

7.4.1 初始设计 125

7.4.2 添加优化变量 125

7.4.3 构造目标函数 125

7.4.4 优化算法 127

7.5 调谐分析 130

7.6 灵敏度分析 130

7.7 统计分析 131

7.8 Optimetrics应用实例 131

7.8.1 定义变量 132

7.8.2 参数扫描分析举例 134

7.8.3 优化设计举例 137

7.8.4 调谐分析举例 142

7.8.5 灵敏度分析举例 144

7.8.6 统计分析举例 146

第8章 HFSS的数据后处理 149

8.1 求解信息数据 149

8.2 数值结果 151

8.2.1 数值结果的显示方式 151

8.2.2 数值结果的类型 152

8.2.3 输出变量 153

8.2.4 查看数值结果的操作步骤 154

8.2.5 编辑图形显示结果报告 156

8.3 场分布图 157

8.3.1 绘制场分布图的操作步骤 159

8.3.2 场分布图的动态演示 159

8.4 天线辐射问题的后处理 161

8.4.1 定义远区场辐射表面 162

8.4.2 天线方向图 163

8.4.3 天线参数 166

8.4.4 HFSS中天线阵的处理 169

第9章 HFSS环形定向耦合器设计实例 173

9.1 环形定向耦合器简介 174

9.2 使用HFSS设计环形定向耦合器概述 174

9.2.1 耦合器的理论计算 174

9.2.2 HFSS设计简介 175

9.2.3 HFSS设计环境概述 175

9.3 新建HFSS工程 176

9.4 创建环形定向耦合器模型 176

9.4.1 设置默认的长度单位 176

9.4.2 建模相关选项设置 177

9.4.3 定义变量length 177

9.4.4 添加新材料 178

9.4.5 创建带状线介质层模型 180

9.4.6 创建带状线金属层模型 181

9.5 分配边界条件和激励 184

9.6 求解设置 187

9.6.1 求解设置 187

9.6.2 扫频设置 187

9.7 设计检查和运行仿真分析 189

9.8 查看仿真分析结果 189

9.8.1 查看S参数扫频结果 189

9.8.2 查看4GHz频点的S矩阵 190

9.9 结果讨论 191

9.9.1 重新仿真验证S矩阵结果 192

9.9.2 使用端口平移功能验证S矩阵结果 193

9.10 保存并退出HFSS 194

第10章 HFSS微带天线设计实例 195

10.1 微带天线简介 195

10.2 设计指标和天线几何结构参数计算 198

10.3 HFSS设计和建模概述 199

10.3.1 微带天线建模概述 199

10.3.2 HFSS设计环境概述 200

10.4 新建HFSS工程 200

10.5 创建微带天线模型 201

10.5.1 设置默认的长度单位 201

10.5.2 建模相关选项设置 201

10.5.3 创建参考地 201

10.5.4 创建介质板层 203

10.5.5 创建微带贴片 204

10.5.6 创建同轴馈线的内芯 205

10.5.7 创建信号传输端口面 206

10.5.8 创建辐射边界表面 207

10.6 设置激励端口 208

10.7 添加和使用变量 210

10.7.1 添加设计变量 210

10.7.2 在模型中使用变量 210

10.8 求解设置 211

10.8.1 求解设置 212

10.8.2 扫频设置 212

10.9 设计检查和运行仿真分析 213

10.10 查看天线谐振点 213

10.11 优化设计 214

10.11.1 参数扫描分析 215

10.11.2 优化设计 216

10.12 查看优化后的天线性能 219

10.12.1 查看S11参数 219

10.12.2 查看S11参数的Smith圆图结果 220

10.12.3 查看电压驻波比 221

10.12.4 查看天线的三维增益方向图 221

10.12.5 查看平面方向图 223

10.12.6 其他天线参数 223

10.13 讨论 225

第11章 HFSS阵列天线分析 226

11.1 HFSS设计概述 226

11.1.1 阵元模型 227

11.1.2 HFSS设计环境概述 228

11.2 新建工程 228

11.3 创建阵元模型 229

11.3.1 设置默认的长度单位 229

11.3.2 建模相关选项设置 229

11.3.3 创建波导阵元 230

11.3.4 创建阵元外的自由空间模型 231

11.4 分配边界条件和激励 232

11.4.1 设置AirBox左右两侧表面为主从边界条件 232

11.4.2 设置AirBox前后表面为主从边界条件 235

11.4.3 为阵元波导底面分配波端口激励 235

11.4.4 为AirBox上表面分配Floquet端口激励 235

11.5 求解设置 237

11.6 设计检查和运行仿真分析 238

11.7 查看仿真分析结果 239

11.7.1 定义辐射表面 239

11.7.2 查看天线阵元场强方向图 240

11.7.3 查看天线阵列场强方向图 241

11.8 保存并退出HFSS 243

第12章 HFSS差分信号分析实例 244

12.1 HFSS设计概述 244

12.1.1 HFSS求解类型和建模简述 245

12.1.2 求解频率和扫频设置 246

12.1.3 HFSS设计环境概述 246

12.2 新建工程 246

12.3 创建带状线差分对模型 247

12.3.1 设置默认的长度单位 247

12.3.2 建模相关选项设置 247

12.3.3 创建差分信号线模型 248

12.3.4 创建FR4介质层 250

12.3.5 添加和使用变量 251

12.4 分配端口激励 252

12.4.1 创建波端口激励表面 253

12.4.2 分配波端口激励 254

12.4.3 设置差分信号线 255

12.4.4 端口平移 256

12.5 求解设置 256

12.5.1 求解频率设置 256

12.5.2 扫频设置 257

12.6 设计检查和运行仿真分析 259

12.7 数据后处理 259

12.7.1 差模信号和共模信号的S参数扫频分析结果 259

12.7.2 端口的差模阻抗和共模阻抗 260

12.7.3 端口处差模信号和共模信号的电场分布 261

12.8 参数扫描分析 263

12.8.1 添加扫描参数设置 264

12.8.2 运行仿真计算 264

12.8.3 结果分析 265

12.9 保存并退出HFSS 266

第13章 HFSS谐振腔体分析实例 267

13.1 圆柱形腔体谐振器简介 267

13.2 HFSS设计概述 269

13.2.1 HFSS建模和求解简介 269

13.2.2 HFSS设计环境概述 270

13.3 新建工程 270

13.4 创建圆形谐振腔模型 271

13.4.1 设置默认的长度单位 271

13.4.2 建模相关选项设置 271

13.4.3 定义设计变量 272

13.4.4 创建圆形谐振腔体模型 272

13.5 边界条件和激励 273

13.6 求解设置 274

13.7 设计检查和运行仿真分析 275

13.8 结果分析 275

13.8.1 谐振频率和品质因数Q 275

13.8.2 腔体内部电磁场的分布 276

13.9 参数扫描分析 280

13.9.1 创建介质圆柱体 280

13.9.2 添加参数扫描分析设置 281

13.9.3 运行参数扫描分析 282

13.9.4 参数扫描分析结果 282

13.10 保存并退出HFSS 283

第14章 HFSS计算SAR工程实例 284

14.1 设计背景 284

14.2 HFSS设计概述 285

14.2.1 建模概述 286

14.2.2 HFSS设计环境概述 286

14.3 新建工程 286

14.3.1 运行HFSS并新建工程 286

14.3.2 设置求解类型 286

14.3.3 设置默认的长度单位 287

14.3.4 建模相关选项设置 287

14.4 创建偶极子天线模型 288

14.4.1 创建相对坐标系 288

14.4.2 创建偶极子天线模型 289

14.4.3 给偶极子天线分配集总端口激励 291

14.5 创建外壳和脑组织液模型 293

14.5.1 创建第一个球体 293

14.5.2 创建第二个球体 295

14.5.3 生成外壳和脑组织液模型 296

14.6 创建SAR的计算线 297

14.7 分配辐射边界条件 298

14.8 求解设置 299

14.9 设计检查和运行仿真分析 300

14.10 查看分析结果 300

14.10.1 SAR计算结果 300

14.10.2 BrainFluid模型内部的电场分布 301

14.11 保存并退出HFSS 301

附录 HFSS中的快捷键 302

《HFSS电磁仿真设计应用详解》是一本注重工程实践的HFSS电磁仿真设计教程，全书共14章，前8章全面介绍了HFSS的设计流程、各种设计功能和具体使用操作。后6章主要通过实际工程设计实例讲解HFSS在微波器件设计、天线设计、天线阵分析设计、高速数字信号完整性分析、谐振腔分析设计和SAR计算等方面的具体应用。本书体系完整、可读性和工程应用性强，适合Ansoft HFSS初学者学习参考和具有一定HFSS使用基础的读者学习提高，也可供高等院校、研究院所、公司企业等从事微波射频、电子通信领域的工程技术人员参阅。

HFSS的书籍很少，而且和实践结合得松散。而本书作者是HFSS资深工程师，并且具有多年的企业培训经验。因此，本书在讲解时尽量摒弃烦琐的理论推导、抽象的概念，多从工程实践的角度出发，采用通俗易懂的语言和直观的工程实例，让读者不仅学习到怎么操作，还要明白为什么这么操作。知其然并知其所以然，才能熟练掌握，举一反三，活学活用。