Ansoft HFSS设计步骤及应用

　　Ansoft HFSS 是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，可分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场，可直接得到特征阻抗、传播常数、S参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果。该软件广泛应用于无线和有线通信、计算机、卫星、雷达、半导体和微波集成电路、航空航天等领域，以帮助客户设计世界一流的产品。
　　Ansoft HFSS提供了一个直观、易于使用、用于建立任意三维无源器件模型的界面。创建一个设计包括以下几个步骤：
　　1）File>New，然后点击Project>Insert HFSS Design，新建一个Project。当然可以通过File>Open，打开一个已经存在的Project。
　　2）HFSS>Solution Type，设置解算类型，确定如何激励和收敛。HFSS有三种解算类型，第一种是模式驱动（Driven Modal），根据波导模式的入射和反射功率表示S参数矩阵的解；第二种是终端驱动（Driven Terminal），根据传输线终端的电压和电流表示S参数矩阵的解；第三种是本征模（Eignemode），求解物理结构的谐振频率以及这些谐振频率下的场模式。
　　3）创建互连结构模型。HFSS拥有强大的全参数三维模型创建功能，简单的实体建模中，直接使用HFSS中提供的基本图形（主菜单>Draw）即可，当创建复杂的物体时，可以用布尔运算操作（3D Modeler>Boolean）完成挖洞、切开或连接等功能。
　　4）在创建每一个基本结构单元时，HFSS都会提示确定其属性，如介电常数等，默认的材料特性是真空（Vacuum）。
　　5）指定平面设置边界条件（HFSS>Boundaries>Assign）。HFSS有多种边界条件，在高速设计中最常用的有，理想电边界（Perfect E）表示电场垂直于表面。任何与背景相关联的物体表面和任何被赋值为PEC（理想电导体）的物体表面将被自动地设置为Perfect E边界；理想磁边界（Perfect H）是指电场方向与表面相切；阻抗边界（Impedance）用解析公式计算场行为和损耗的电阻性表面；辐射边界（Radiation）也被称为吸收边界，用来模拟开放的表面；完美匹配层边界（PML）用一种非实际的、阻抗与自由空间相匹配吸收层来模拟开放空间。
　　6）指定端口设置激励（HFSS>Excitations>Assign）。HFSS主要有波端口（Wave Ports）和集中端口（Lumped Ports），而在高速设计中，使用波端口的情况比较多。HFSS假定你定义的波端口连接到一个半无限长的波导，该波导具有与端口相同的截面和材料，每个端口都是独立地激励并且在端口中每一个入射模式的平均功率为1瓦，使用波端口可以计算特性阻抗、复传播常数和S参数。
　　值得注意的是，在设置波端口大小时也是很讲究的，以经常遇到微带线端口为例，如果设微带线宽为W，高为h，设置如图1所示。
　　
　　图1 微带线波端口大小设置
　　7）分析设置。通过HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup可以进行自适应频率和收敛标准的设置，通过HFSS>Analysis Setup>Add Sweep可以得到互连结构的扫频响应，通常选择插值（Interpolating）扫频。
　　8）数据处理（HFSS>Results）。HFSS具有功能强大又很灵活的数据管理和绘图能力，可以输出适合于Matlab编程，后缀为.m的S/Y/Z矩阵参数文件。
　　Ansoft HFSS的应用
　　HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。使用HFSS，可以计算：
　　①基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；
　　②端口特征阻抗和传输常数；
　　③S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；
　　④结构的本征模或谐振解。
　　而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。