1、8-1 HFSS基本介绍基本介绍 HFSSHigh Frequency Structure Simulator（高频电磁场仿真）软件由美国Ansoft公司开发的世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，是目前国际上主流的三维高频电磁场仿真软件之一。HFSS是一种基于物理原型的EDA设计软件。HFSS8.0中增加了以下主要功能：模式到节点的转换；端对端的节点模型产生、求解及后处理；可输出高精度宽带SPICE模型；全波Spice（Full-Wave Spice）；自适应插值扫频算法；支持集总电阻、电容和电感部件。一、HFSS发展历程 8-1 HFSS基本介绍基本介绍 2003年5月Ansoft
2、公司发布了HFSS的最新版本V9，v9.2是基于物理原型的EDA设计软件。依靠其对电磁场精确分析的性能，使您能够轻松建立产品虚拟样机。Ansoft HFSS v9.2最重要的新功能就是在PC机上能够利用3GB的内存空间，这极有效地拓展了HFSS的仿真计算能力，此外运用HFSS v9.2的用户自定义编程模块（UDP）能方便建立各种模型及元件库。同时，具备与Ansoft Designer、Nexxim动态链接的特性：通过动态参数化链接，在RF/数模混合电路仿真中实现与三维电磁场的协同仿真。8-1 HFSS基本介绍基本介绍 2005年8月Ansoft公司在美国发布HFSS v10。最新版HFSS v
3、10强化了与CAD工具和其他分析工具之间的配合。CAD模型有时会出现微小的段差和坐标误差，这种误差使得HFSS以前的版本有时无法使用该模型。HFSS v10新增了一种功能，即具有能够消除微小段差和坐标误差影响的功能，能够直接使用绝大多数CAD模型。Ansoft将其称为“Healing功能”。所以即使CAD模型有时会出现微小的段差和坐标误差，HFSS v10也能将其分割成最佳的微小网格后，进行电磁场分析。另一点就是：HFSS v10与SIwave v3进行协作分析的示例，能够看到车身内部的印刷电路板产生的不必要辐射的活动情况。8-1 HFSS基本介绍基本介绍 HFSS采用的理论基础是有限元方法。
4、有限元法是一种积分方法，其解是频域的，所以HFSS是由频域到时域，对于设计各种辐射器及求本征模问题很擅长。HFSS应用切向矢量有限元法。二、HFSS仿真原理 所谓的有限元法，就是将整个区域分割成许多很小的子区域，这些子区域通常称为“单元”或“有限元”，将求解边界问题的原理应用于这些子区域中，求解每个小区域，通过选取恰当的尝试函数，使得对每一个单元的计算变得非常简单，经过对每个单元进行重复而简单的计算，再将其结果总和起来，便可以得到用整体矩阵表达的整个区域的解，这一整体矩阵又常常是稀疏矩阵，可以更进一步简化和加快求解过程。8-1 HFSS基本介绍基本介绍三、HFSS仿真过程HFSS仿真过程图8-
5、1 HFSS基本介绍基本介绍四、HFSS的主要功能5.电磁场与系统电路集成协同仿真设计能力。1.提供了一个基于三维电磁场的自动化设计流程的设计平台。2.集成了工程设计所必需的强大的参数化设计、优化、敏感性及公差统计仿真分析功能。3.新一代仿真工具赋予了更灵活的网格剖分、收敛精度及仿真分析控制等功能，从而具有更快的仿真速度和更高的设计精度。4.其参数化设计、强大的建模及图形功能使工程仿真设计变得十分方便。8-1 HFSS基本介绍基本介绍 HFSS设计的新特点1.精确2.快速3.方便易用4.工程实用参数化扫描、优化设计、敏感性分析、公差统计5.电磁场与系统、电路集成协同仿真设计8-1 HFSS基本
6、介绍基本介绍五、HFSS的应用领域1.射频和微波器件设计 对于任意三维高频微波器件，如波导、滤波器、耦合器、连接器、铁氧体器件和谐振腔等，HFSS都能提供工具实现S参数提取、产品调试及优化，最终达到制造要求。2.天线、阵列天线和馈源设计 HFSS是设计、优化和预测天线性能的有效工具。从简单的单极子天线到复杂雷达屏蔽系统及任意馈电网络HFSS都能精确地预测其电磁性能，包括辐射向图、波瓣宽度、内部电磁场分布等。8-1 HFSS基本介绍基本介绍T形波导结构内部电磁场显示非均匀螺旋天线的模型分析8-1 HFSS基本介绍基本介绍3.高频IC设计 随着集成电路芯片进入纳米范围，工作频率增强、尺寸减小都导致
7、片上互连结构寄生参数对芯片电路性能产生巨大影响。MMIC、RFIC和高速数字IC的设计要求准确表征并整合这种影响，这些都要求提取其准确的宽带电磁特性，HFSS是唯一能自动、快速实现这一功能的软件。4.高速封装设计 快速上升的IC引脚伴随着IC芯片及封装的微型化发展趋势，IC封装中的信号传输路径对整个系统电性能的影响越来越严重，必须有效区分和协调这种高速封装影响。HFSS提供的S参数和宽带SPICE电路模型，使IC、封装和PCB设计者能在制造和测试之前准确预测系统工作性能。8-1 HFSS基本介绍基本介绍高Q螺旋电感器的设计分析高速封装的电磁特性分析8-1 HFSS基本介绍基本介绍5.高速PCB
8、板和RF PCB板设计 由于PCB工作频率及速度的不断提高，致使板上信号线、过孔等结构的等效电尺寸增加，从而产生更强的耦合、辐射等电磁效应。HFSS让PCB设计者明确、诊断、排除这些影响，无论是过孔、信号线，还是PCB板边缘或者同轴连接器等各种结构，HFSS都能确定其电磁效应，完成自动化设计、优化从而使产品达到更高性能。8-1 HFSS基本介绍基本介绍高速PCB板及背板的设计8-2 HFSS软件系统软件系统 HFSS软件是由美国Ansoft公司开发，是三维电磁场仿真软件。它应用切向矢量有限元法，可求解任意三维射频、微波器件的电磁场分布，计算由于材料和辐射带来的损耗。可直接得到特征阻抗、传播系数
9、、S参数及电磁场、辐射场、天线方向图、特定吸收率等结果。广泛应用于天线、馈线、滤波器、多工器、功分器、环行器、光电器件、隔离器的设计和电磁兼容、电磁干扰，天线布局和互耦等问题的计算。目前实验所用的HFSS软件为10.0版本，软件介绍以此版本为准。8-2 HFSS软件系统软件系统一、软件设计环境8-2 HFSS软件系统软件系统1.主菜单与工具条 主菜单在软件主窗口的顶部，包括File、Edit、Project等下拉菜单。工具条在主菜单的下一行，是一些常用设置的图标。2.工程树 工程树包括所有打开的HFSS工程文件，每个工程文件一般包括几何模型、模型的边界条件、材料定义、场的求解、后处理信息等。工
10、程树中第一个节点是工程的名称，默认名一般为Projectn，n代表当前打开的第n个工程。8-2 HFSS软件系统软件系统 导入HFSS设计后，其下加入HFSSModeln节点，n代表当前加入的第n个设计，在该节点下包括模型的所有特定数据。包括：Boundaries：边界条件。定义在问题区以及物体表面的边沿处的场特性，包括良导体表面、阻抗表面、辐射表面、主表面、从表面、集总元件表面等。Excitations：激励源。定义某物体或表面的电磁场的源以及电荷、电流、电压等情况，包括端口、集总端口、入射端口、电压源、电流源等。Model：建立的模型。8-2 HFSS软件系统软件系统 Mesh Opera
11、tion：网格设置。定义网格的划分，即网格晶元。Analysis：分析。包括求解设置，定义软件如何计算求解。Optimetrics：优化。包括所有优化设置。Results：结果。包括所有后处理生成的结果报告。Port Field Display：显示模型的端口场分布。Field Overlays：显示某物体、表面的基本或衍生的场分布 情况。Radiation：设置近场、远场。8-2 HFSS软件系统软件系统3.绘图历史树、绘图窗 绘图历史树包括绘制的所有的几何模型，以及模型的编辑、材料定义等。绘图历史树右侧是绘图窗，在该区绘制几何模型。4.属性窗 属性窗显示在工程树、绘图历史树或绘图区中选中的
12、某一项的属性，可以进行编辑。在属性窗中可编辑的参数是不定的，其标签页的名称也不定，均由所选中的项的类型决定。8-2 HFSS软件系统软件系统5.信息窗 信息窗显示与工程创建过程相关的各种信息，例如工程设置的错误信息、分析过程的设置信息等。6.进程窗 进程窗在执行仿真时，监视仿真的进度，仿真的每一步都有显示。8-2 HFSS软件系统软件系统二、基本操作1创建工程 从主菜单选FileNew，创建一个新工程;再选FileSave As，则以此路径、名称保存该工程。工程文件以*.hfss保存。2模型视图 模型视图有多种，包括移动、旋转、放大、缩小等。移动：由主菜单选ViewPan，或者按下Shift键
13、同时点鼠标左键移动鼠标，可以移动模型。8-2 HFSS软件系统软件系统 旋转：由主菜单选ViewRotate，或者按下Alt键的同时点鼠标左键移动鼠标，可以旋转模型。缩放：由主菜单选ViewZoom，或者同时按下Alt、Shift键，点左键移动鼠标可以放大、缩小模型。向上移是放大视图，向下移是缩小视图。适中显示：同时按下Ctrl、D键，可以将模型适中示。其他操作还有Zoom In、Zoom Out等。8-2 HFSS软件系统软件系统3复制、粘贴 由主菜单选EditCopy To Clipboard，可将模型粘贴到剪 贴板，再粘贴到Word、PowerPoint等基于Windows的程序中,此操
14、作也可复制工程的分析结果图。4各种HFSS文件 一个*.hfss文件包含所有与工程相关的文件。常见的文件 及文件夹类型包括：design_name.hfssresults：文件夹，保存设计的结果数据。project_name.hfssresults：文件夹，保存工程的结果数据。Project_name.asol：文件，保存工程的场数据结果。如果求解不合适，则该文件可能为空。保存在project_name.hfssresults文件夹内。8-2 HFSS软件系统软件系统.pjt：HFSS软件8.5以及更早版本的工程文件。.anfp：Ansoft的PCB中性文件。5导出文件 由主菜单选3D Mod
15、elExport，选择保存路径、命名，将“保存类型”下拉列展开，选择要导出的文件类型即可。*.sm2：二维模型文件，只包含XY平面。*.sat或*.sm3三维模型文件，前者为ACIS几何固态模型文件，后者为在ACIS2.0版或更高版本中的HFSS三维模型文件。如果选择*.sm3，则还要选择ACIS SM3的版本。图表文件：包括*.bmp，*.gif，*.jpeg，*.tiff，*.wrl等格式。8-2 HFSS软件系统软件系统 数据列表文件：*.txt为后处理格式文件，*.csv为逗号分隔文件，*.tab为Tab键分隔文件，*.dat为曲线数据文件。方法：分析出结果后，由主菜单选Report2
16、DExport，选择保存路径、命名，将Save as type下拉列展开，选择要导出的文件类型即可。6导出矩阵数据 在工程树的Anlysissetupn项上，点右键，选择Matrix Data，出现Solution Data窗，默认Matrix Data标签页。选择想要查看的矩阵类型，包括S-matrix，Y-matrix，Z-matrix，Gamma，Zo等参数，点Export。8-2 HFSS软件系统软件系统 在弹出的新窗口，选择保存路径、命名，将“保存类型”下拉列展开，选择要导出的文件类型即可。包括：*.tab：数据列表文件。将S矩阵的各项按顺序列出，包括数据头，以Tab键隔开。*.sN
17、p：TouchstoneS参数文件。后缀名中的N代表有N个端口。*.nmf：中性文件名。*.m：Matlab文件。SYZ矩阵的各项按顺序列出。*.cit：Citifile格式文件。精品课件精品课件！精品课件精品课件！8-2 HFSS软件系统软件系统7导入文件 有主菜单选3D ModelerImport，选择查找路径，将“文件类型”下拉列展开，选择要导出的文件类型，选择要导入的文件名即可。*.gds：二维几何设计布局数据的标准文件格式。*.dxf：AutoCAD绘图交换格式文件。*.geo：HFSS固态模型文件。*.iges，*.igs：初始图形交换规格(IGES)的工业标准文件。同样，也可导入求解数据、数据列表等，方法略。软件的其他使用说明请查看软件自身的帮助文件：hfss.chm。
