HFSS电磁仿真设计从入门到精通 - (EPUB全文下载)

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HFSS电磁仿真设计从入门到精通
上篇 基础篇
下篇 实践篇
版权
上篇 基础篇
本书分上、下两篇，上篇从第1章到第8 章，主要介绍 HFSS 软件的工作界面、基本功能、设计流程、边界条件和激励方式等HFSS 基本知识和基础概念，讲述的重点是要让读者能够迅速熟悉并掌握HFSS设计的各个环节，包括理论基础和使用操作两部分；学习的主要方法是在阅读、记忆的基础上，理解每个设计环节的内涵，并配合实际的操作、练习，达到熟练掌握HFSS的学习目标。用户只有熟练掌握了HFSS设计中的各个环节，才能把HFSS正确地应用到实际的工程设计中。
第1章 HFSS概述
HFSS（High Frequency Simulator Structure）是原美国Ansoft公司开发的全波三维电磁仿真软件，其功能强大、界面友好、计算结果准确，是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。2008年7月，Ansoft公司被Ansys公司收购，现在HFSS归属于Ansys旗下的电磁自动化设计产品，其当前最新版本为13.0。本章将向读者介绍HFSS的主要功能和HFSS的设计流程。
1.1 HFSS简介
HFSS是美国Ansoft公司开发的全波三维电磁仿真软件，该软件采用有限元法，计算结果准确可靠，是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。
HFSS采用标准的Windows图形用户界面，简洁直观；自动化的设计流程，易学易用；稳定成熟的自适应网格剖分技术，结果准确。使用HFSS，用户只需要创建或导入设计模型，指定模型材料属性，正确分配模型的边界条件和激励，准确定义求解设置，软件便可以计算输出用户需要的设计结果。
HFSS具有精确的场仿真器，强大的电性能分析能力和后处理功能可以用于分析、计算并显示下列参数。
• S、Y、Z等参数矩阵。
• 电压驻波比（VSWR）。
• 端口阻抗和传播常数。
• 电磁场分布和电流分布。
• 谐振频率、品质因数Q。
• 天线辐射方向图和各种天线参数，如增益、方向性、波束宽度等。
• 比吸收率（SAR）。
• 雷达反射截面（RCS）。
经过20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种射频、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、半功率波瓣宽度、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/EMI）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题，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。
7．计算SAR
比吸收率（SAR）是单位质量的人体组织所吸收的电磁辐射能量，SAR 的大小表明了电磁辐射对人体健康的影响程度。随着信息技术的发展，大众在享受无线通信设备带来的各种便利之时，也日益关注无线通信终端对人体健康的影响。使用 HFSS 可以准确地计算出指定位置的局部 SAR和平均SAR。
8．光电器件仿真设计
HFSS的应用频率能够达到光波波段，精确仿真光电器件的特性。
1.2 启动HFSS
HFSS 软件安装完成后，在桌面和程序菜单中都会建有快捷方式。可以通过两种方法来启动 HFSS软件：一是双击桌面快捷方式 ，启动HFSS；二是在Windows开始程序菜单中，单击【所 有程序】→【Ansoft】→【HFSS 13.0】→【HFSS 13.0】命令，启动HFSS13.0，如图1.1所示。HFSS启动后的用户界面如图1.2所示。
▲图1.1 启动HFSS操作
▲图1.2 HFSS用户界面
1.3 HFSS工程的通用设置
HFSS软件启动后，单击HFSS工作界面主菜单栏的【Tools】→【Options】→【General Op ............

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