Ansoft HFSS磁場分析與應(yīng)用實例

前言

HFSS廣泛地應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計算機(jī)、通信等多個領(lǐng)域。它具備仿真精度高，可靠性強(qiáng)，仿真速度快，穩(wěn)定成熟的特點，其自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)使HFSS成為高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。利用HFSS工具可以高效地設(shè)計各種高頻結(jié)構(gòu)，包括射頻和微波部件、天線和天線陣及天線罩，高速互連結(jié)構(gòu)、電真空器件，可用于研究目標(biāo)特性和系統(tǒng)／部件的電磁兼容／電磁干擾特性，從而降低設(shè)計成本，減少設(shè)計周期，增強(qiáng)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(yīng)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(zhì)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(dǎo)天線陣。在信號完整性分析中的應(yīng)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(yīng)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(shè)計工作的讀者使用，可作為初學(xué)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(xué)習(xí)。本書共8章，第1章簡要回顧了微波的相關(guān)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(jié)果的方法。第3章主要講解使用：HFSS進(jìn)行建模和分析時依據(jù)的原理，如邊界條件、激勵、材料設(shè)置、求解設(shè)置、網(wǎng)格設(shè)定，最后講解HFSS進(jìn)行優(yōu)化設(shè)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(jìn)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(zhì)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(jìn)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(dǎo)天線陣。第6章主要講解：HFSS在信號完整性分析中的應(yīng)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(zhì)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(dǎo)天線陣。在信號完整性分析中的應(yīng)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(yīng)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(jié)合作者大量實際分析案例進(jìn)行講解，層層深入到HFSS的高級應(yīng)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(xué)習(xí)。    本書適合有志于從事微波、天線設(shè)計工作的讀者使用，可作為初學(xué)HFSS的入門教材。

書籍目錄

前言第1章  微波理論基礎(chǔ)  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(luò)理論    1.2.3 平面?zhèn)鬏斁€與波導(dǎo)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(jié)第2章  HFSS快速上手  2.1 HFSS的特點和應(yīng)用領(lǐng)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(jìn)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(biāo)    2.4.4 創(chuàng)建并查看簡單結(jié)構(gòu)    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(yīng)用結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換    2.4.9 通過布爾運算組合物體    2.4.10 局部坐標(biāo)系統(tǒng)    2.4.11 幾何參數(shù)  2.5 魔T設(shè)計快速上手實例    2.5.1 Ansofi HFSS設(shè)計環(huán)境    2.5.2 啟動Ansofi HFSS    2.5.3 設(shè)置工具選項    2.5.4 如何打開一個新工程    2.5.5 如何設(shè)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(dǎo)端口激勵    2.5.8 邊界顯示    2.5.9 分析設(shè)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(jié)第3章  HFSS仿真分析基礎(chǔ)  3.1 邊界條件設(shè)置    3.1.1 背景    3.1.2 理想導(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(shè)置    3.3.1 相對磁導(dǎo)率    3.3.2 相對介電常數(shù)    3.3.3 電導(dǎo)率    3.3.4 介質(zhì)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(shè)置    3.4.1 輸入輸出端口的處理    3.4.2 自適應(yīng)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(shè)定    3.5.1 手動設(shè)置網(wǎng)格    3.5.2 表面近似設(shè)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(shè)計空間    3.6.3 目標(biāo)函數(shù)    3.6.4 線性約束    3.6.5 目標(biāo)權(quán)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(jié)第4章  微波電路仿真分析  4.1 微帶低通濾波器設(shè)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(shè)定    4.1.4 創(chuàng)建三維模型    4.1.5 設(shè)置分析    4.1.6 計算結(jié)果的評價  4.2 SIR微帶帶通濾波器設(shè)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(shè)定    4.2.4 創(chuàng)建三維模型    4.2.5 設(shè)置分析    4.2.6 計算結(jié)果的評價  4.3 微帶帶阻濾波器設(shè)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(shè)定    4.3.4 創(chuàng)建三維模型    4.3.5 分析設(shè)置    4.3.6 計算結(jié)果的評價  4.4 介質(zhì)諧振器設(shè)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(shè)定    4.4.4 創(chuàng)建三維模型    4.4.5 設(shè)置分析    4.4.6 計算結(jié)果的評價  4.5 微波寬帶功分器設(shè)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(shè)定    4.5.4 創(chuàng)建三維模型    4.5.5 設(shè)置分析    4.5.6 計算結(jié)果的評價  4.6 微帶耦合器設(shè)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(shè)定    4.6.4 創(chuàng)建3D模型    4.6.5 設(shè)置分析    4.6.6 計算結(jié)果的評價  4.7 本章小結(jié)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(shè)定    5.1.4 建立3D模型    5.1.5 設(shè)置分析    5.1.6 計算結(jié)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(shè)定    5.2.4 建立3D模型    5.2.5 設(shè)置分析    5.2.6 計算結(jié)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(shè)定    5.3.4 建立3D模型    5.3.5 設(shè)置分析    5.3.6 計算結(jié)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(shè)定    5.4.4 創(chuàng)建3D模型    5.4.5 設(shè)置分析    5.4.6 計算結(jié)果的評價  5.5 端射波導(dǎo)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(shè)定    5.5.4 創(chuàng)建3D模型    5.5.5 設(shè)置分析    5.5.6 計算結(jié)果的評價  5.6 本章小結(jié)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(shè)定    6.1.4 創(chuàng)建三維模型    6.1.5 設(shè)置分析    6.1.6 計算結(jié)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(shè)定    6.2.4 創(chuàng)建三維模型    6.2.5 設(shè)置分析    6.2.6 計算結(jié)果的評價  6.3 本章小結(jié)第7章  HFSS在電磁兼容中的應(yīng)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(shè)定    7.1.4 創(chuàng)建三維模型    7.1.5 設(shè)置分析    7.1.6 計算結(jié)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(shè)置    7.2.4 創(chuàng)建三維模型    7.2.5 設(shè)置分析    7.2.6 計算結(jié)果的評價  7.3 本章小結(jié)第8章  HFSS分析技巧  8.1 求解模式的區(qū)別  8.2 關(guān)于求解的設(shè)置  8.3 HFSS建模規(guī)則  8.4 HFSS建模需知參考文獻(xiàn)

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(chǔ)。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(luò)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(xué)波段，其應(yīng)用領(lǐng)域有雷達(dá)、通信、射電天文、生物電磁學(xué)、電磁能應(yīng)用及環(huán)?？茖W(xué)。無論在哪個應(yīng)用領(lǐng)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(jì)給出的麥克斯韋方程組，是英國科學(xué)家麥克斯韋對法拉第（Faraday）等前人的實驗成果的總結(jié)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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