HFSS电磁仿真设计应用详解

RGB_lamp · 发表于 2022-7-7 10:54

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HFSS是美国Ansoft公司开发的，基于电磁场有限元法分析微波工程问题的全波三维电磁仿真软件。经过20多年的发展，现今HFSS以其无以伦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、稳定成熟的自适应网格剖分技术，已经成为三维电磁仿真设计的首选工具和行业标准，被广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师高效地设计各种微波/高频无源器件。

经过二十多年的发展，现今 HFSS 以其无与伦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、稳定成熟的自适应网格剖分技术，已经成为三维电磁仿真设计的首选工具和行业标准，被广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师高效地设计各种微波高频无源器件。借助于 HFSS，能够有效地降低设计成本，缩短设计周期，增强企业的竞争力。HFSS 的具体应用包括以下 8个方面：
1.射频和微波无源器件设计
HFSS 能够快速精确地计算各和射频/微波无源器件的电磁特性，得到S参数、传播常数、电磁特性，优化器件的性能指标，并进行容差分析，帮助工程师们快速完成设计并得到各类器件的准确电磁特性，包括波导器件、滤波器、耦合器、功率分配/合成器、隔离器、腔体和铁氧体器件等。
2.天线、天线阵列设计
HFSS 可为天线和天线阵列提供全面的仿真分析和优化设计，精确仿真计算天线的各种性能，包括二维、三维远场和近场辐射方向图、天线的方向性、增益、轴比、半功率波段宽度、内部电磁场分布、天线阻抗、电压驻波比、S 参数等。
3.高速数字信号完整性分析
随着信号工作频率和信息传输速度的不断提高，互联结构的寄生效应对整个系统的性能影响已经成为制约设计成功的关键因素。MMIC、RFIC或高速数字系统需要精确的互联结构特性分析参数抽取，HFSS 能够自动和精确地提取高速互联结构和版图寄生效应。导出 SPICE参数模型和 touchstone 文件（即.snp 格式文件），结合 Ansoft Designer 或其他电路仿真分析工具去仿真瞬态现象。
4.EMC/EMI 问题分析
电磁兼容和电磁干扰（EMC/EM）问题具有随机性和多变性的特点，因此，完整的"复现"一个实际工程中的 EMC/EMI 问题是很难做到的。Ansoft提供的"自顶向下"的 EMC 解决方案可以轻松地解决这个问题。HFSS 强大的场后处理功能为设计人员提供丰富的场结果。整个空间的场分布情况可以以色标图的方式直观地显示出来，让设计人员对系统的场分布全貌有所认识;进一步通过场计算器（Field Calculator），可以给出电场/磁场强度的最强点，并能输出详细的场强值和坐标值。
5.电真空器件设计
在电真空器件如行波管、速调管、回旋管设计中，HFSS 本征模求解器结合周期性边界条件，能够准确地仿真分析器件的色散特性，得到归一化相速与频率的关系以及结构中的电磁场分布，为这类器件的分析和设计提供了强有力的手段。
6.目标特性研究和 RCS 仿真
雷达散射截面（RCS）的分析预估一直是电磁理论研究的重要课膜，当前人们对电大尺寸复杂目标的 RCS 分析尤为关注。HFSS 中定义了平面波入射激励，结合辐射边界条件或 PML边界条件，可以准确地分析器件的 RCS。

1.4 HFSS 设计流程
使用 HFSS 进行电磁分析和高频器件设计的简要流程如图 1.4所示。各个步骤简述如下。
（1）启动 HFSS.软件，新建一个设计工程
（2）选择求解类型。在 HFSS中有 3 种求解类型∶模式驱动求解、终端驱动求触和本征模求解。
（3）创建参数化设计模型。在 HFSS 设计中，创建参数化模型包括∶构造出准确的几何模型、指定模型的材料属性以及准确地分配边界条件和端口激励。
（4）求解设置。求解设置包括指定求解频率（软件在该频率下进行自适应网格剖分计算）、收致误差和网格剖分最大迭代次数等信息; 如果需要进行扫频分析，还需要选择扫频类型并指定扫频范围。
（5）运行仿真计算。在 HFSS 中，仿真计算的过程是全自动的。软件根据用户指定的求解设置信息，自动完成仿真计算，无须用户干预。
（6）数据后处理，查看计算结果，包括S参数、场分布、电流分布、谐振频率、品质因数 O、天线辐射方向图等。另外，HFSS 还集成了 Ansoft 公司的 Optimetrics 设计优化模块，可以对设计模型进行参数扫描分析、优化设计、调谐分析、灵敏度分析和统计分析。