HFSS電磁仿真設(shè)計應(yīng)用詳解

前言

　　HFSS是美國Ansoft公司開發(fā)的，基于電磁場有限元法分析微波工程問題的全波三維電磁仿真軟件。經(jīng)過70多年的發(fā)展，現(xiàn)今HFSS以其無與倫比的仿真精度和可靠性、快捷的仿真速度、方便易用的操作界面、穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，成為三維電磁仿真設(shè)計的首選工具和行業(yè)標準，被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計算機、通信等多個領(lǐng)域，幫助工程師高效地設(shè)計各種微波／高頻無源器件。　　HFSS的書籍很少，而且和實踐結(jié)合得松散。而本書作者是HFSS資深工程師，并且具有多年的企業(yè)培訓(xùn)經(jīng)驗。因此，本書在講解時盡量摒棄煩瑣的理論推導(dǎo)、抽象的概念，多從工程實踐的角度出發(fā)，采用通俗易懂的語言和直觀的工程實例，讓讀者不僅學(xué)習(xí)到怎么操作，還要明白為什么這么操作。知其然并知其所以然，才能熟練掌握，舉一反三，活學(xué)活用。本書緊密結(jié)合HFSS的設(shè)計流程來安排章節(jié)結(jié)構(gòu)。　　第1章是HFSS概述部分，主要講述HFSS是什么，HFSS能做什么的問題；同時也簡單介紹了HFSS的簡要設(shè)計流程。　　第2章通過一個簡單的HFSS工程設(shè)計實例來講解14FSS的分析設(shè)計流程和具體操作步驟；讓讀者對于HFSS實際工程應(yīng)用有一個整體的、直觀的認識，便于后面深入細致地學(xué)習(xí)HFSS。

內(nèi)容概要

本書是一本注重工程實踐的HFSS電磁仿真設(shè)計教程，全書共14章，前8章全面介紹了HFSS的設(shè)計流程、各種設(shè)計功能和具體使用操作。后6章主要通過實際工程設(shè)計實例講解HFSS在微波器件設(shè)計、天線設(shè)計、天線陣分析設(shè)計、高速數(shù)字信號完整性分析、諧振腔分析設(shè)計和SAR計算等方面的具體應(yīng)用。本書體系完整、可讀性和工程應(yīng)用性強，適合Ansoft HFSS初學(xué)者學(xué)習(xí)參考和具有一定HFSS使用基礎(chǔ)的讀者學(xué)習(xí)提高，也可供高等院校、研究院所、公司企業(yè)等從事微波射頻、電子通信領(lǐng)域的工程技術(shù)人員參閱。

書籍目錄

第1章  HFSS概述  1  1.1  HFSS簡介  1  1.2  啟動HFSS  3  1.3  設(shè)置HFSS工程文件的默認路徑  4  1.4  HFSS設(shè)計流程  4第2章  入門實例——T形波導(dǎo)的內(nèi)場分析和優(yōu)化設(shè)計  6  2.1  設(shè)計概述  6  2.2  T形波導(dǎo)內(nèi)場分析  7    2.2.1  新建工程設(shè)置  7    2.2.2  創(chuàng)建T形波導(dǎo)模型  8    2.2.3  分析求解設(shè)置  15    2.2.4  查看分析計算結(jié)果  17    2.2.5  保存設(shè)計并退出HFSS  21  2.3  T形波導(dǎo)的優(yōu)化分析  21    2.3.1  新建一個優(yōu)化設(shè)計工程  21    2.3.2  參數(shù)掃描分析設(shè)置和仿真分析  21    2.3.3  查看參數(shù)掃描分析結(jié)果  25    2.3.4  優(yōu)化設(shè)計  27    2.3.5  查看優(yōu)化結(jié)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  主菜單欄  32    3.1.2  工具欄  40    3.1.3  工程管理窗口  41    3.1.4  屬性窗口  42    3.1.5  三維模型窗口  42    3.1.6  信息管理窗口  42    3.1.7  進程窗口  43    3.1.8  狀態(tài)欄  43  3.2  柵格顯示和柵格平面  43  3.3  顯示坐標系  44第4章  HFSS中的建模操作  45  4.1  創(chuàng)建長方體模型  45    4.1.1  創(chuàng)建長方體模型的操作步驟  46    4.1.2  物體“屬性”對話框的詳細解釋  48  4.2  HFSS中的基本模型及其創(chuàng)建  49    4.2.1  鼠標光標的移動模式  49    4.2.2  捕捉模式(Snap Mode)  50    4.2.3  物體的基本模型  51  4.3  物體的材料屬性  54    4.3.1  編輯物體材料庫  55    4.3.2  設(shè)置物體模型的材料  56  4.4  改變視圖  57    4.4.1  改變視圖的操作命令  57    4.4.2  顯示和隱藏物體模型  58  4.5  選擇操作  59    4.5.1  選擇模式  59    4.5.2  選擇操作  60    4.5.3  多重選擇  61  4.6  物體模型的幾何變換  61  4.7  物體模型的布爾運算操作  64  4.8  HFSS中的坐標系  66    4.8.1  相對坐標系  67    4.8.2  面坐標系  68  4.9  建模相關(guān)選項的設(shè)置  69第5章  邊界條件和激勵  72  5.1  概述  72  5.2  邊界條件的類型和設(shè)置  73    5.2.1  理想導(dǎo)體邊界條件  73    5.2.2  理想磁邊界條件  74    5.2.3  有限導(dǎo)體邊界條件  76    5.2.4  輻射邊界條件  77    5.2.5  對稱邊界條件  78    5.2.6  阻抗邊界條件  80    5.2.7  集總RLC邊界條件  82    5.2.8  分層阻抗邊界條件  83    5.2.9  無限地平面邊界條件  84    5.2.10  主從邊界條件  84    5.2.11  理想匹配層  87  5.3  激勵的類型和設(shè)置  87    5.3.1  波端口激勵  88    5.3.2  波端口激勵的設(shè)置步驟  90    5.3.3  集總端口激勵  95    5.3.4  Floquet端口激勵  98    5.3.5  入射波激勵  98    5.3.6  電壓源激勵  99    5.3.7  電流源激勵  100    5.3.8  磁偏置激勵  100第6章  HFSS網(wǎng)格剖分和分析設(shè)置  101  6.1  求解類型  101  6.2  自適應(yīng)網(wǎng)格剖分  102    6.2.1  收斂標準  102    6.2.2  收斂精度  104    6.2.3  自適應(yīng)網(wǎng)格剖分頻率的選擇  104  6.3  求解設(shè)置  105    6.3.1  添加和定義求解設(shè)置  105    6.3.2  修改和刪除已添加的求解設(shè)置  109  6.4  掃頻分析  110    6.4.1  掃頻類型  110    6.4.2  添加和定義掃頻設(shè)置  111    6.4.3  修改和刪除已添加的掃頻項  114  6.5  設(shè)計檢查和運行仿真分析  114    6.5.1  設(shè)計檢查  115    6.5.2  運行仿真分析  115第7章  HFSS中的變量和Optimetrics  117  7.1  變量  117    7.1.1  變量類型  117    7.1.2  變量定義  118    7.1.3  添加、刪除和使用變量  120  7.2  Optimetrics模塊功能簡介  123  7.3  參數(shù)掃描分析  123  7.4  優(yōu)化設(shè)計  124    7.4.1  初始設(shè)計  125    7.4.2  添加優(yōu)化變量  125    7.4.3  構(gòu)造目標函數(shù)  125    7.4.4  優(yōu)化算法  127  7.5  調(diào)諧分析  130  7.6  靈敏度分析  130  7.7  統(tǒng)計分析  131  7.8  Optimetrics應(yīng)用實例  131    7.8.1  定義變量  132    7.8.2  參數(shù)掃描分析舉例  134    7.8.3  優(yōu)化設(shè)計舉例  137    7.8.4  調(diào)諧分析舉例  142    7.8.5  靈敏度分析舉例  144    7.8.6  統(tǒng)計分析舉例  146第8章  HFSS的數(shù)據(jù)后處理  149  8.1  求解信息數(shù)據(jù)  149  8.2  數(shù)值結(jié)果  151    8.2.1  數(shù)值結(jié)果的顯示方式  151    8.2.2  數(shù)值結(jié)果的類型  152    8.2.3  輸出變量  153    8.2.4  查看數(shù)值結(jié)果的操作步驟  154    8.2.5  編輯圖形顯示結(jié)果報告  156  8.3  場分布圖  157    8.3.1  繪制場分布圖的操作步驟  159    8.3.2  場分布圖的動態(tài)演示  159  8.4  天線輻射問題的后處理  161    8.4.1  定義遠區(qū)場輻射表面  162    8.4.2  天線方向圖  163    8.4.3  天線參數(shù)  166    8.4.4  HFSS中天線陣的處理  169第9章  HFSS環(huán)形定向耦合器設(shè)計實例  173  9.1  環(huán)形定向耦合器簡介  174  9.2  使用HFSS設(shè)計環(huán)形定向耦合器概述  174    9.2.1  耦合器的理論計算  174    9.2.2  HFSS設(shè)計簡介  175    9.2.3  HFSS設(shè)計環(huán)境概述  175  9.3  新建HFSS工程  176  9.4  創(chuàng)建環(huán)形定向耦合器模型  176    9.4.1  設(shè)置默認的長度單位  176    9.4.2  建模相關(guān)選項設(shè)置  177    9.4.3  定義變量length  177    9.4.4  添加新材料  178    9.4.5  創(chuàng)建帶狀線介質(zhì)層模型  180    9.4.6  創(chuàng)建帶狀線金屬層模型  181  9.5  分配邊界條件和激勵  184  9.6  求解設(shè)置  187    9.6.1  求解設(shè)置  187    9.6.2  掃頻設(shè)置  187  9.7  設(shè)計檢查和運行仿真分析  189  9.8  查看仿真分析結(jié)果  189    9.8.1  查看S參數(shù)掃頻結(jié)果  189    9.8.2  查看4GHz頻點的S矩陣  190  9.9  結(jié)果討論  191    9.9.1  重新仿真驗證S矩陣結(jié)果  192    9.9.2  使用端口平移功能驗證S矩陣結(jié)果  193  9.10  保存并退出HFSS  194第10章  HFSS微帶天線設(shè)計實例  195  10.1  微帶天線簡介  195  10.2  設(shè)計指標和天線幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)計算  198  10.3  HFSS設(shè)計和建模概述  199    10.3.1  微帶天線建模概述  199    10.3.2  HFSS設(shè)計環(huán)境概述  200  10.4  新建HFSS工程  200  10.5  創(chuàng)建微帶天線模型  201    10.5.1  設(shè)置默認的長度單位  201    10.5.2  建模相關(guān)選項設(shè)置  201    10.5.3  創(chuàng)建參考地  201    10.5.4  創(chuàng)建介質(zhì)板層  203    10.5.5  創(chuàng)建微帶貼片  204    10.5.6  創(chuàng)建同軸饋線的內(nèi)芯  205    10.5.7  創(chuàng)建信號傳輸端口面  206    10.5.8  創(chuàng)建輻射邊界表面  207  10.6  設(shè)置激勵端口  208  10.7  添加和使用變量  210    10.7.1  添加設(shè)計變量  210    10.7.2  在模型中使用變量  210  10.8  求解設(shè)置  211    10.8.1  求解設(shè)置  212    10.8.2  掃頻設(shè)置  212  10.9  設(shè)計檢查和運行仿真分析  213  10.10  查看天線諧振點  213  10.11  優(yōu)化設(shè)計  214    10.11.1  參數(shù)掃描分析  215    10.11.2  優(yōu)化設(shè)計  216  10.12  查看優(yōu)化后的天線性能  219    10.12.1  查看S11參數(shù)  219    10.12.2  查看S11參數(shù)的Smith圓圖結(jié)果  220    10.12.3  查看電壓駐波比  221    10.12.4  查看天線的三維增益方向圖  221    10.12.5  查看平面方向圖  223    10.12.6  其他天線參數(shù)  223  10.13  討論  225第11章  HFSS陣列天線分析  226  11.1  HFSS設(shè)計概述  226    11.1.1  陣元模型  227    11.1.2  HFSS設(shè)計環(huán)境概述  228  11.2  新建工程  228  11.3  創(chuàng)建陣元模型  229    11.3.1  設(shè)置默認的長度單位  229    11.3.2  建模相關(guān)選項設(shè)置  229    11.3.3  創(chuàng)建波導(dǎo)陣元  230    11.3.4  創(chuàng)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(shè)置AirBox左右兩側(cè)表面為主從邊界條件  232    11.4.2  設(shè)置AirBox前后表面為主從邊界條件  235    11.4.3  為陣元波導(dǎo)底面分配波端口激勵  235    11.4.4  為AirBox上表面分配Floquet端口激勵  235  11.5  求解設(shè)置  237  11.6  設(shè)計檢查和運行仿真分析  238  11.7  查看仿真分析結(jié)果  239    11.7.1  定義輻射表面  239    11.7.2  查看天線陣元場強方向圖  240    11.7.3  查看天線陣列場強方向圖  241  11.8  保存并退出HFSS  243第12章  HFSS差分信號分析實例  244  12.1  HFSS設(shè)計概述  244    12.1.1  HFSS求解類型和建模簡述  245    12.1.2  求解頻率和掃頻設(shè)置  246    12.1.3  HFSS設(shè)計環(huán)境概述  246  12.2  新建工程  246  12.3  創(chuàng)建帶狀線差分對模型  247    12.3.1  設(shè)置默認的長度單位  247    12.3.2  建模相關(guān)選項設(shè)置  247    12.3.3  創(chuàng)建差分信號線模型  248    12.3.4  創(chuàng)建FR4介質(zhì)層  250    12.3.5  添加和使用變量  251  12.4  分配端口激勵  252    12.4.1  創(chuàng)建波端口激勵表面  253    12.4.2  分配波端口激勵  254    12.4.3  設(shè)置差分信號線  255    12.4.4  端口平移  256  12.5  求解設(shè)置  256    12.5.1  求解頻率設(shè)置  256    12.5.2  掃頻設(shè)置  257  12.6  設(shè)計檢查和運行仿真分析  259  12.7  數(shù)據(jù)后處理  259    12.7.1  差模信號和共模信號的S參數(shù)掃頻分析結(jié)果  259    12.7.2  端口的差模阻抗和共模阻抗  260    12.7.3  端口處差模信號和共模信號的電場分布  261  12.8  參數(shù)掃描分析  263    12.8.1  添加掃描參數(shù)設(shè)置  264    12.8.2  運行仿真計算  264    12.8.3  結(jié)果分析  265  12.9  保存并退出HFSS  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(shè)計概述  269    13.2.1  HFSS建模和求解簡介  269    13.2.2  HFSS設(shè)計環(huán)境概述  270  13.3  新建工程  270  13.4  創(chuàng)建圓形諧振腔模型  271    13.4.1  設(shè)置默認的長度單位  271    13.4.2  建模相關(guān)選項設(shè)置  271    13.4.3  定義設(shè)計變量  272    13.4.4  創(chuàng)建圓形諧振腔體模型  272  13.5  邊界條件和激勵  273  13.6  求解設(shè)置  274  13.7  設(shè)計檢查和運行仿真分析  275  13.8  結(jié)果分析  275    13.8.1  諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)Q  275    13.8.2  腔體內(nèi)部電磁場的分布  276  13.9  參數(shù)掃描分析  280    13.9.1  創(chuàng)建介質(zhì)圓柱體  280    13.9.2  添加參數(shù)掃描分析設(shè)置  281    13.9.3  運行參數(shù)掃描分析  282    13.9.4  參數(shù)掃描分析結(jié)果  282  13.10  保存并退出HFSS  283第14章  HFSS計算SAR工程實例  284  14.1  設(shè)計背景  284  14.2  HFSS設(shè)計概述  285    14.2.1  建模概述  286    14.2.2  HFSS設(shè)計環(huán)境概述  286  14.3  新建工程  286    14.3.1  運行HFSS并新建工程  286    14.3.2  設(shè)置求解類型  286    14.3.3  設(shè)置默認的長度單位  287    14.3.4  建模相關(guān)選項設(shè)置  287  14.4  創(chuàng)建偶極子天線模型  288    14.4.1  創(chuàng)建相對坐標系  288    14.4.2  創(chuàng)建偶極子天線模型  289    14.4.3  給偶極子天線分配集總端口激勵  291  14.5  創(chuàng)建外殼和腦組織液模型  293    14.5.1  創(chuàng)建第一個球體  293    14.5.2  創(chuàng)建第二個球體  295    14.5.3  生成外殼和腦組織液模型  296  14.6  創(chuàng)建SAR的計算線  297  14.7  分配輻射邊界條件  298  14.8  求解設(shè)置  299  14.9  設(shè)計檢查和運行仿真分析  300  14.10  查看分析結(jié)果  300    14.10.1  SAR計算結(jié)果  300    14.10.2  BrainFluid模型內(nèi)部的電場分布  301  14.11  保存并退出HFSS  301附錄  HFSS中的快捷鍵  302

章節(jié)摘錄

　　經(jīng)過二十多年的發(fā)展，現(xiàn)今HFSS以其無與倫比的仿真精度和可靠性、快捷的仿真速度、方便易用的操作界面、穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，已經(jīng)成為三維電磁仿真設(shè)計的首選工具和行業(yè)標準，被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計算機、通信等多個領(lǐng)域，幫助工程師高效地設(shè)計各種微波／高頻無源器件。借助于HFSS，能夠有效地降低設(shè)計成本，縮短設(shè)計周期，增強企業(yè)的競爭力。HFSS的具體應(yīng)用包括以下8個方面?！　?.射頻和微波無源器件設(shè)計　　HFSS能夠快速精確地計算各種射頻／微波無源器件的電磁特性，得到S參數(shù)、傳播常數(shù)、電磁特性，優(yōu)化器件的性能指標，并進行容差分析，幫助工程師們快速完成設(shè)計并得到各類器件的準確電磁特性，包括波導(dǎo)器件、濾波器、耦合器、功率分配／合成器、隔離器、腔體和鐵氧體器件等?！　?.天線、天線陣列設(shè)計　HFSS可為天線和天線陣列提供全面的仿真分析和優(yōu)化設(shè)計，精確仿真計算天線的各種性能，包括二維、三維遠場和近場輻射方向圖、天線的方向性、增益、軸比、半功率波瓣寬度、內(nèi)部電磁場分布、天線阻抗、電壓駐波比、S參數(shù)等。　　3.高速數(shù)字信號完整性分析　　隨著信號工作頻率和信息傳輸速度的不斷提高，互聯(lián)結(jié)構(gòu)的寄生效應(yīng)對整個系統(tǒng)的性能影響已經(jīng)成為制約設(shè)計成功的關(guān)鍵因素。

編輯推薦

　　HFSS的書籍很少，而且和實踐結(jié)合得松散。而本書作者是HFSS資深工程師，并且具有多年的企業(yè)培訓(xùn)經(jīng)驗。因此，本書在講解時盡量摒棄煩瑣的理論推導(dǎo)、抽象的概念，多從工程實踐的角度出發(fā)，采用通俗易懂的語言和直觀的工程實例，讓讀者不僅學(xué)習(xí)到怎么操作，還要明白為什么這么操作。知其然并知其所以然，才能熟練掌握，舉一反三，活學(xué)活用。

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