Ansoft HFSS磁場分析與應用實例

前言

HFSS廣泛地應用于航空、航天、電子、半導體、計算機、通信等多個領域。它具備仿真精度高，可靠性強，仿真速度快，穩(wěn)定成熟的特點，其自適應網(wǎng)格剖分技術使HFSS成為高頻結構設計的首選工具和行業(yè)標準。利用HFSS工具可以高效地設計各種高頻結構，包括射頻和微波部件、天線和天線陣及天線罩，高速互連結構、電真空器件，可用于研究目標特性和系統(tǒng)／部件的電磁兼容／電磁干擾特性，從而降低設計成本，減少設計周期，增強競爭力。本書主要講解在HFSS中建立微波電路分析和天線仿真分析，然后簡要講述HFSS在信號完整性分析和電磁兼容中的應用。微波電路分析的類型包括魔T、微帶低通濾波器、SIR微帶帶通濾波器、微帶帶阻濾波器、介質諧振器、微帶耦合器等。天線仿真分析的類型包括對稱振子天線、喇叭天線、貼片天線、測試吸收率裝置和端射波導天線陣。在信號完整性分析中的應用包括低壓差分信號差分線模型和非理想接地面模型。在電磁兼容中的應用包括屏蔽體模型和散熱片模型。本書適合有志于從事微波、天線設計工作的讀者使用，可作為初學HFSS的入門教材。全書編寫時，采用大量的圖片，方便讀者更快地掌握HFSS的使用方法，本書的光盤配套有全書的所有例子，方便讀者學習。本書共8章，第1章簡要回顧了微波的相關理論，主要包括電磁場基本理論、微波電路理論和天線理論，然后講述HFSS軟件采用的算法——有限元法的基本原理。第2章主要講解HFSS軟件的特點和工作界面，然后通過微波電路中的一個簡單器件——魔T，講述HFSS的建模、分析和查看結果的方法。第3章主要講解使用：HFSS進行建模和分析時依據(jù)的原理，如邊界條件、激勵、材料設置、求解設置、網(wǎng)格設定，最后講解HFSS進行優(yōu)化設計時依據(jù)的算法和優(yōu)化判定條件。第4章主要講解如何使用HFSS進行微波電路仿真分析，主要講解微帶低通濾波器、SIR微帶帶通濾波器、微帶帶阻濾波器、介質諧振器、微波寬帶功分器和微帶耦合器。第5章主要講解如何使用HFSS進行天線建模和仿真分析，主要講解對稱振子天線、喇叭天線、貼片天線、測試吸收率裝置和端射波導天線陣。第6章主要講解：HFSS在信號完整性分析中的應用，主要講解低壓差分信號差分線模型和非理想接地面模型。第7章主要講解HFSS在電磁兼容中的應用，主要講解屏蔽體模型和散熱片模型。第8章首先講解。HFSS中三種激勵的區(qū)別以及三種求解算法的區(qū)別，然后講解HFSS建模時的一些有用的規(guī)則，最后給出微波器件建模時的一些設計技巧，使讀者能更快更好地建立微波器件模型。

內(nèi)容概要

本書主要講解在HFSS中建立微波電路分析和天線仿真分析，然后簡要講述HFSS在信號完整性分析和電磁兼容中的應用。微波電路分析的類型包括魔T、微帶低通濾波器、SIR微帶帶通濾波器、微帶帶阻濾波器、介質諧振器、微帶耦合器等。天線仿真分析的類型包括對稱振子天線、喇叭天線、貼片天線、測試吸收率裝置和端射波導天線陣。在信號完整性分析中的應用包括低壓差分信號差分線模型和非理性接地面模型。在電磁兼容中的應用包括屏蔽體模型和散熱片模型。    本書編寫時參考了大量的資料，同時還結合作者大量實際分析案例進行講解，層層深入到HFSS的高級應用。全書編寫時，采用大量的圖片，方便讀者更快的掌握HFSS的使用方法，本書的光盤配套有全書的所有例子，方便讀者學習。    本書適合有志于從事微波、天線設計工作的讀者使用，可作為初學HFSS的入門教材。

書籍目錄

前言第1章  微波理論基礎  1.1 電磁場基本理論    1.1.1 麥克斯韋方程組    1.1.2 時諧場的麥克斯韋方程組    1.1.3 波動方程及其邊界條件  1.2 微波電路基本理論    1.2.1 傳輸線理論    1.2.2 微波網(wǎng)絡理論    1.2.3 平面?zhèn)鬏斁€與波導傳輸線  1.3 天線基本理論    1.3.1 電磁波的傳播    1.3.2 天線原理    1.3.3 電磁散射  1.4 電磁兼容問題  1.5 有限元法基本原理    1.5.1 有限元方法的原理    1.5.2 三維時諧場有限元問題    1.5.3 有限元方程組的求解  1.6 電磁內(nèi)問題和外問題的不同處理  1.7 本章小結第2章  HFSS快速上手  2.1 HFSS的特點和應用領域  2.2 HFSS與其他軟件的協(xié)同作業(yè)  2.3 熟悉HFSS工作環(huán)境    2.3.1 菜單欄    2.3.2 工具欄    2.3.3 狀態(tài)欄    2.3.4 Project Manager窗口    2.3.5 Properties窗口    2.3.6 進度窗口    2.3.7 信息管理窗口    2.3.8 3D模型窗口  2.4 參數(shù)化建模    2.4.1 模型編輯器用戶界面    2.4.2 網(wǎng)格平面    2.4.3 活動光標    2.4.4 創(chuàng)建并查看簡單結構    2.4.5 畫圖概述    2.4.6 選擇之前定義的形狀    2.4.7 改變視角    2.4.8 應用結構的轉換    2.4.9 通過布爾運算組合物體    2.4.10 局部坐標系統(tǒng)    2.4.11 幾何參數(shù)  2.5 魔T設計快速上手實例    2.5.1 Ansofi HFSS設計環(huán)境    2.5.2 啟動Ansofi HFSS    2.5.3 設置工具選項    2.5.4 如何打開一個新工程    2.5.5 如何設置解決方案類型(Set Solution Type)    2.5.6 建立3D模型    2.5.7 建立波導端口激勵    2.5.8 邊界顯示    2.5.9 分析設置    2.5.10 保存工程    2.5.11 分析    2.5.12 生成報表  2.6 本章小結第3章  HFSS仿真分析基礎  3.1 邊界條件設置    3.1.1 背景    3.1.2 理想導體邊界    3.1.3 理想磁邊界    3.1.4 輻射邊界    3.1.5 理想匹配層(Perfect Match Laver)    3.1.6 有限導體邊界    3.1.7 阻抗邊界    3.1.8 對稱邊界    3.1.9 主從邊界    3.1.10 集總RLC邊界    3.1.11 分層阻抗邊界    3.1.12 無限大地平面  3.2 激勵設置    3.2.1 波端口    3.2.2 波端口激勵    3.2.3 集總端口激勵    3.2.4 差分對激勵    3.2.5 磁偏置源激勵    3.2.6 照射波激勵  3.3 材料設置    3.3.1 相對磁導率    3.3.2 相對介電常數(shù)    3.3.3 電導率    3.3.4 介質損耗角正切    3.3.5 磁損耗角正切    3.3.6 各向異性材料  3.4 求解設置    3.4.1 輸入輸出端口的處理    3.4.2 自適應分析過程    3.4.3 單個頻率的解和掃頻解    3.4.4 HFSS中求解方法的類型    3.4.5 電磁場矢量的求解    3.4.6 特性阻抗的計算    3.4.7 阻抗乘法器的使用  3.5 網(wǎng)格設定    3.5.1 手動設置網(wǎng)格    3.5.2 表面近似設置  3.6 優(yōu)化計算功能    3.6.1 優(yōu)化方法    3.6.2 優(yōu)化變量和設計空間    3.6.3 目標函數(shù)    3.6.4 線性約束    3.6.5 目標權值    3.6.6 優(yōu)化計算中的步長    3.6.7 敏感性分析    3.6.8 調(diào)諧分析  3.7 本章小結第4章  微波電路仿真分析  4.1 微帶低通濾波器設計    4.1.1 基本原理    4.1.2 問題描述和分析思路    4.1.3 參數(shù)設定    4.1.4 創(chuàng)建三維模型    4.1.5 設置分析    4.1.6 計算結果的評價  4.2 SIR微帶帶通濾波器設計    4.2.1 基本原理    4.2.2 問題描述和分析思路    4.2.3 參數(shù)設定    4.2.4 創(chuàng)建三維模型    4.2.5 設置分析    4.2.6 計算結果的評價  4.3 微帶帶阻濾波器設計    4.3.1 基本原理    4.3.2 問題描述和分析思路    4.3.3 參數(shù)設定    4.3.4 創(chuàng)建三維模型    4.3.5 分析設置    4.3.6 計算結果的評價  4.4 介質諧振器設計    4.4.1 基本原理    4.4.2 問題描述和分析思路    4.4.3 參數(shù)設定    4.4.4 創(chuàng)建三維模型    4.4.5 設置分析    4.4.6 計算結果的評價  4.5 微波寬帶功分器設計    4.5.1 基本原理    4.5.2 問題描述和分析思路    4.5.3 參數(shù)設定    4.5.4 創(chuàng)建三維模型    4.5.5 設置分析    4.5.6 計算結果的評價  4.6 微帶耦合器設計    4.6.1 基本原理    4.6.2 問題描述和分析思路    4.6.3 參數(shù)設定    4.6.4 創(chuàng)建3D模型    4.6.5 設置分析    4.6.6 計算結果的評價  4.7 本章小結第5章  天線仿真分析  5.1 對稱振子天線    5.1.1 基本原理    5.1.2 問題描述和分析思路    5.1.3 參數(shù)設定    5.1.4 建立3D模型    5.1.5 設置分析    5.1.6 計算結果的評價  5.2 喇叭天線    5.2.1 基本原理    5.2.2 問題描述和分析思路    5.2.3 參數(shù)設定    5.2.4 建立3D模型    5.2.5 設置分析    5.2.6 計算結果的評價  5.3 微帶貼片天線    5.3.1 基本原理    5.3.2 問題描述和分析思路    5.3.3 參數(shù)設定    5.3.4 建立3D模型    5.3.5 設置分析    5.3.6 計算結果的評價  5.4 吸收率測試模型    5.4.1 基本原理    5.4.2 問題描述和分析思路    5.4.3 參數(shù)設定    5.4.4 創(chuàng)建3D模型    5.4.5 設置分析    5.4.6 計算結果的評價  5.5 端射波導天線陣    5.5.1 基本原理    5.5.2 問題描述和分析思路    5.5.3 參數(shù)設定    5.5.4 創(chuàng)建3D模型    5.5.5 設置分析    5.5.6 計算結果的評價  5.6 本章小結第6章  HFSS信號完整性分析  6.1 低壓差分信號(LVDS)差分線    6.1.1 基本原理    6.1.2 問題描述和分析思路    6.1.3 參數(shù)設定    6.1.4 創(chuàng)建三維模型    6.1.5 設置分析    6.1.6 計算結果的評價  6.2 非理想接地面    6.2.1 基本原理    6.2.2 問題描述和分析思路    6.2.3 參數(shù)設定    6.2.4 創(chuàng)建三維模型    6.2.5 設置分析    6.2.6 計算結果的評價  6.3 本章小結第7章  HFSS在電磁兼容中的應用  7.1 屏蔽體    7.1.1 基本原理    7.1.2 問題描述和分析思路    7.1.3 參數(shù)設定    7.1.4 創(chuàng)建三維模型    7.1.5 設置分析    7.1.6 計算結果的評價  7.2 散熱片    7.2.1 基本原理    7.2.2 問題分析    7.2.3 參數(shù)設置    7.2.4 創(chuàng)建三維模型    7.2.5 設置分析    7.2.6 計算結果的評價  7.3 本章小結第8章  HFSS分析技巧  8.1 求解模式的區(qū)別  8.2 關于求解的設置  8.3 HFSS建模規(guī)則  8.4 HFSS建模需知參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：電磁場理論是解決一切微波、射頻問題的基礎。本章首先介紹電磁場基本理論，著重介紹麥克斯韋方程組，然后介紹微波電路中的傳輸線理論及微波網(wǎng)絡理論，天線基本理論，基本的電磁兼容原理，有限元法。本章要點：電磁場基本理論微波電路基本理論天線基本理論電磁兼容問題有限元法基本原理電磁內(nèi)問題和外問題的不同處理。1.1電磁場基本理論傳統(tǒng)上，微波或射頻指的是300MHz～3000GHz頻率范圍內(nèi)的電磁波。事實上，目前射頻工程師的研究對象已從數(shù)百赫茲一直延伸到光學波段，其應用領域有雷達、通信、射電天文、生物電磁學、電磁能應用及環(huán)?？茖W。無論在哪個應用領域，射頻工程師需要解決的核心工程問題都是一定邊界條件和激勵條件下Maxwell（麥克斯韋）方程組的求解問題。本章中簡要給出射頻工程涉及到的基本電磁場知識。1.1.1麥克斯韋方程組電磁波的運動規(guī)律遵從19世紀給出的麥克斯韋方程組，是英國科學家麥克斯韋對法拉第（Faraday）等前人的實驗成果的總結和發(fā)展。麥克斯韋方程組是描述宏觀電磁場規(guī)律的基本方程。

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