HFSS谐振腔体实例分析

【案例分析】经典HFSS仿真实例详解新朋友请点击上⽅RFsister关注我们关于仿真软件HFSS相信⼤家多少都有听过，这是⼀款⾮常强⼤好⽤的仿真软件，已经被应⽤于多个领域，当然，天线设计也离不开仿真软件。

本期⼩编为⼤家带来的是经典天线——对称振⼦天线仿真。

下⾯我们先来看看软件的简介。

HFSS – High Frequency Structure Simulator，Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件，⽬前已被ANSYS公司收购；是世界上第⼀个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的⼯业标准。

HFSS提供了⼀简洁直观的⽤户设计界⾯、精确⾃适应的场解器、拥有空前电性能分析能⼒的功能强⼤后处理器，能计算任意形状三维⽆源结构的S参数和全波电磁场。

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；③ S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。

下⾯我们先来看看建⽴HFSS⼯程的⼀般过程。

（1）⾸先第⼀步是运⾏Ansoft HFSS：（2）然后单击下图红框处图标，在当前⼯程中插⼊⼀个设计：（3）选择求解类型，如下图：（4）为建⽴模型设置合适的单位，如下图：（5）在3D窗⼝中建⽴模型。

（6）设置需要的辐射边界。

（7）如果选择激励求解或激励终端求解，则需要为模型设置激励。

（8）设置求解频率及扫频操作等。

（9）点击下图按钮，检查当前⼯程的有效性。

肇庆学院 12通信2班杨桐烁 4202 实验一 T形波导的内场分析和优化设计实验目的1、熟悉并掌握HFSS的工作界面、操作步骤及工作流程。

2、掌握T型波导功分器的设计方法、优化设计方法和工作原理。

实验仪器1、装有windows 系统的PC 一台2、或更高版本软件3、截图软件T形波导的内场分析实验原理本实验所要分析的器件是下图所示的一个带有隔片的T形波导。

其中，波导的端口1是信号输入端口，端口2和端口3是信号输出端口。

正对着端口1一侧的波导壁凹进去一块，相当于在此处放置一个金属隔片。

通过调节隔片的位置可以调节在端口1传输到端口2，从端口1传输到端口3的信号能量大小，以及反射回端口1的信号能量大小。

实验步骤1、新建工程设置：运行HFSS并新建工程、选择求解类型、设置长度单位2、创建T形波导模型：创建长方形模型、设置波端口源励、复制长方体、合并长方体、创建隔片3、分析求解设置：添加求解设置、添加扫频设置、设计检查4、运行仿真分析5、查看仿真分析计算结果内场分析结果1、图形化显示S参数计算结果8.008.258.508.759.009.259.509.7510.00Freq [GHz]0.130.250.380.500.630.75Y1TeeModalXY Plot 1ANSOFTCurve Infomag(S(P ort1,P ort1))Setup1 : Sw eep1mag(S(P ort1,P ort2))Setup1 : Sw eep1mag(S(P ort1,P ort3))Setup1 : Sw eep1图形化显示S参数幅度随频率变化的曲线2、查看表面电场分布表面场分布图3、动态演示场分布图T 形波导的优化设计实验原理利用参数扫描分析功能。

分析在工作频率为10GHz 时，T 形波导3个端口的信号能量大小随着隔片位置变量Offset 的变化关系。

利用HFSS 的优化设计功能，找出隔片的准确位置，使得在10GHz 工作频点，T 形波导商品3的输出功率是端口2输出功率的两倍。

内容概述柱体腔体谐振器简介MpUk" M 於5门5] 54.血--e 恻柱形腔休谐振器简介•:•微波腔休谐振器是由导体制成的封闭的空腔，电破波在其中连续反射，如果模式和頻率合适.就会产生驻波.即发生谐振现象。

❖微波谐振器迪主要参数有两个:谐振頻妄或谐振波长和品庾因数(.儿•:•今天我们将要使用HFSS分析的如下图m所示的圆形腔休谐舷由理论分析可知，当/ = “时，TN如提最低次模,孚小是罗氐次模*g三者的谐振波长分另欣仏。

=2®❖ TMow模的谐振波长与腔体长度无关，无法利用调节谐振腔长度的方法进行调遂但在園柱轴线方向引入一段细圆柱形导体或细圆柱形理质,可以使TM JW模的场分布发生变化, 通过改变细圆柱形导休介质的长度，可以实现谐振腔的调(°山呱:m畑仃珂$诃8<J3:46f I • »：HFSS设计概述HFSS设计概述❖今天使用HFSS分析设计一个圆形腔体谐振器，腔体的磁和截面主径都为丘忒腔体的外壁材质是厚度为mun的金恳铝（ahumnmn〉。

根据前面的公式可以计算岀该谐振腔TM她模WTEm模波长和頻率的理论值分别为：z TMI）iri = 39.3111111 心mio = 634GHz冷川=25.鮒皿】A EDI = n,92GHz❖首先我们在HFSS中创建该腔休模型,仿真计算岀TM血模和TEm模i皆振频率的实际值和品质因辿5,井查看TA缶模和TEm模的场分布^❖然后在圜形谐振腔体内部添加一个半径为5山】的介质圆柱，使用HFSS的参数扫描功能，分析介质圆柱的高度对口応模和正小楔谐振頻率的影的HFSS设计步骤和设计流程1•改名:工程名：Resonator ；设计名：Cavity剎 审鈕 bff 删HBHgggEEBn 由口 Definitions寸・由••(5-2•修改模式：本征模求解模式內9如fjj\[25X5] UH--a ;: x臥 Annoft SPSS RcsonAtorCavity 30 lodelerIRcsonAtor Cavity - lodclerjZ] E>1« (da1 Y««¥ 2/*ojael Qri#&,<!•】”Ioalk lir»l<niW P-o' x11 Saqy oT. g,Ej 的厂 4 lotion Onck .|v>cuai•次「QG«Jit* O&nxitiwcftwnes • xM M A 83：丄•selatig typ 已Q&xndtrte% E scitatiana V««h Opacklicck Ar.ilytn Stt-cp Optir^triec toAlyrtc giddsfiesoltsficxn^kry DiRL© CS^Lw yi" C»j0rt TY<o.sfQr EX t«r 济m O«ai0. £rc7«rla«a...v*#-«ci9top.co«n TASolution Type; Resonator - Cavity DrivenC Modal厂 T erminalT ransientC Composite Excitation 怡Network Analysis总 EigenmodeOK Cancel3•修改单位：mm::h Q P■ ![•P»rt Prort Clipt -54X'l烛!j g --冬Z ObjQHz By V«t«ri<il • 10ft SPSS攻・SurBce fiodeealroj»ri Qr *r B Si% ■Zb F *|3IRcsonfttor CAVxty 3D Kodeler (Resonator Cavity lodclcrJ ]・ 1 •:* Cwrjty (-!«)••DftClXKl^JK8』雾蹟澤i讶R>tp<4^«r * 沁PV251 msOOQO:S6・•OVax i ・bl ・・・：；：・，、•DjVifetXl YOlQ Gl PlsRil*... B«r Object Type Casdi“t ・ Syntar! UctMd ・l AftUrcpU归Matico $ett )r<5wmwjoiVMW4<i3tCp.C0m4.创建谐振腔模型4.1创建圆柱体E 夕CyiinderlO CwSeCylind"i 匕Coardirt^te System54.2 修改属性：Cavity, 0.8Properties: Resonator - Cavity • ModelerAttribute |Nome I Wlue4.3 修改参数：顶点(0,0,0), H=15, i-15O CrejteCyinder »- k. CoordinateS”t0E t 49 Mar -iM G 令 lirt?NomeC&^ity Meterifil Sojurn'SoK^ InsideOrientabori Glob 创ModelDisplay XVir.,.Colorn&pjr'^scuurr/厂厂厂厂厂厂厂厂 Shor/ HiddenUnit lE^ludted ^6」 De^cfiption ‘ Rc^d-onF/::夕巾亦f B ■ veojjmProprw20 (mm)5•设置边界条件：有限导体边界条件Finite Conductivity Boundary X Name: |FiniteCond1U$e DefaultsCancel庐冷於旅a.*屮亠・$今如塚勺6.添加求解设置项汕如r v M f2R25) 54."够• noft HPSS - Rcsoufttor - Cavity 30 lodeler (Rcson*tor - CavxtylodclcrJZ2T 石】. 咖 Irojert Orw d ・dJ«r KFSS Z M I* 力宀 X^PI D Of Q 、昂 xq »| U) I 3a xr•□00<=>|±1!©6©60'©恥 j 3 1 oI 府 二1 丽!G 选护4VMCUOB=^Ktr5 柝-Cf 39Q»A»£3 «3 tf F&At£udl & IJCClt«itl»M & ・esl Qjerdtiom p [JJJpWI 倉 Opm ! 口久・2 %?>a. ♦ 2J ou^xitiFrvj«c^ Accedesx ・ ・X A £x a :i-夕沁也-yeani 0 C^vny@ CVecteCyLiri'• Z Coirdinwt» Sr«i»si * 49 ritxu^ !» Q foils■ !v**-«ctotop.cofn TAEigen Solution Setup AcK/anced | Defaults | Expression Cache |Adaptive SolutionsMaximum Number of Passes:Maximum Delta Frequency Per Pa厂 Converge on Real Frequency OnlyUse DefaultsHPC and Anal/sis Options...确定取消Setup Name:[7 Ena bledMinimum Frequency:Number of Medes:General | Options7・设计检查Validation Check; Resonator - CavityValidation Check completed. Errors: 1 Warnings ：: 0See Message Window For details.7.1有错误，査看之Mc5<jge Man agerR] A Cavity (Eiscmodc)Fixdu Condnctivity bogday TinitaCc&dl nzaz tbic^nass. This is n«t oxpatibLa with Ei^axri&da probls. (9.2^:43 下 牛 4月 C6, 2016)OCavity| 代 EH |Finite Conductivity BoundaryFinite Conductivity Boundary DefaultsName: FiniteCondlAdvancedSurface Roughness Model: C Hu raySurface Roughness: 「Set DC Thickness 0H^ll-Huray Surface Ratio;mmUse Defaults旳 Design Settings& 3D Model幻 Boundaries and ExcitationsMesh Operations& Analysis Setup 护 Optimetrics ： 刃 Radiation7.2再检査AboN | Clo^e&运行分析Validation Check; Resonator - CavityCavityValidation Check completed9・查看谐振频率和品质因数Eigenmode DaU Ih/esh Statistics |Sok^d Mod^Eg&nrnocfe Fiequ=ricy (GHa)QModel 7.76031 0.000489英5 791925 Mode 211.6293 *i 0.00K430£S 904Z34Close10.查看模式1的中心平面的电场和磁场的分布 10.1创建中心平面：顶点:(0,0,7・5) 9法线方向(0AD• Solutions: Revori^tor - CsvitySirrulstbn| S CtuplDesign Vtfi^on [|Lm&drphM jJJ &卩XProfile I Cowergen回Q瓦蔽□ Cr«tcC><ind«r♦匕Coo-dr»4tc e O Plir-iM ::QOfabJ^• a GbMI竝i CT GhbJiYZPUnel♦的Urts10.2查看电场分布Create Field PlotFields Calculator...Category: | StandardQuantity In Volumerr ；.■...- ：■；-ComplexMag_EV GC I OL EMagtHComplexMag_HVector^HMag_Jsurf ComplewMagJsurf VectoNsurf Mag_JvolCompleKMagjYol VectoNvol VectoR ealPo^ntingLocalJS ARAveragers ARS urface_Lo $s_D ensi tj Volume^Loss^D ensity vCavityAllObjects厂Plot on surface onlyCancel厂Streamlineyi Kt uJoadoicpyiwiLSV »At2 号 x>G 与 np^po 2卫痞艺-Q2・A !上 &!迪hE ■死518飞 ZfXh^lL TE ■讹rw->99-C9iaa»z^xr] p.*<H"«PQ 细!八・s avs • •■>n»T ia P3•m mmrJ 'TO口 pSCQ• uttf *•*!•"円ga* “u Qww >^u 心嗣口 s ，g ；匕cee ■邨 < tee-^siz yc€e -«9we ,9 recmt, 9 reo ■补 g* ree-^es-d reG-Hiair & tee ■钩曲£ % rcos-'occ-fc •■MWmz a3【押訂nU WW Q 21 CH°E> Q H M陀Q-■ i«XS •tvutpjtoj 叩伽“P Q 033 0 —. S ”A .- 吃（列夕弓【陀呵 ■^ru 2“__________ ! >""Af£EBd■ Wl □»p»x> ・・说。

HFSS电磁仿真设计实验报告仿真项目： HFSS谐振腔体分析实例专业班级： 2015级电子信息工程1班姓名：倪国旭学号： 201509120124仿真项目：HFSS谐振腔体分析实例一、建模：如图所示模型参数为： Cavity:Center Position: 0mm , 0mm , 0mm; Axis: Z; Radius: 15mm; Height: 15mm DieRes:Position: 0mm ,0mm , 0mm; XSize: z, YSize: 5mm, ZSize: Height二、仿真结果：0.002.505.007.5010.0012.5015.00Height [mm]3.00E+0094.00E+0095.00E+0096.00E+0097.00E+0098.00E+0099.00E+0091.00E+0101.10E+0101.20E+010Y 1CavityXY Plot 1Curve Info re(Mode(1))Setup1 : LastAdaptivere(Mode(2))Setup1 : LastAdaptive三、对模型的改变及结果:改变：设置Substrate 的材料为：copper 。

结果：材料的改变使得S11的出现两个谐振频率。

四、实验心得：1，学习了HFSS本征模求解器的使用2，掌握了使用本征模求解器进行谐振腔问题的分析设计流程，以及学习到模式数的概念和在分析多个模式时如何查看各个模式的谐振频率、品质因数和场的分布。

让我更加具体的了解谐振腔体的本质。

HFSS谐振腔体实例分析HFSS(高频结构仿真软件)是一种用于高频电磁场的模拟和分析的软件。

在HFSS中，可以使用该软件来模拟和分析谐振腔体。

谐振腔体是一种用于储存微波能量并产生谐振现象的设备。

本文将介绍如何使用HFSS对谐振腔体进行分析。

首先，我们需要创建一个空的立方体，其尺寸根据实际需求确定。

然后，在立方体内部选择一个位置，添加一个约束面。

约束面可以是金属板、气体或者介电体等材料。

在我们的例子中，我们将使用一个金属板作为约束面。

接下来，我们需要定义约束面的物理特性。

这包括面的材料类型、导电性等参数。

在HFSS中，可以选择不同类型的约束面材料，如铜、铝等。

根据应用需求，我们可以选择适当的材料类型。

然后，我们需要定义谐振腔体的几何参数。

这包括谐振腔体的长度、宽度和高度等。

几何参数的选择对谐振腔体的性能有重要影响，因此需要根据具体需求进行优化。

接下来，我们需要定义谐振腔体的边界条件。

边界条件是一个非常重要的因素，它决定了电磁场在谐振腔体内部的传播方式。

在HFSS中，可以选择不同类型的边界条件，如理想导电壁、理想电介质等。

然后，我们需要定义谐振腔体的激励方式。

激励方式可以是通过导线、天线或者端口等。

在HFSS中，可以选择不同类型的激励方式，如电流激励、电压激励等。

根据实际需求，我们可以选择适当的激励方式。

最后，我们需要进行仿真和分析。

在HFSS中，可以进行多种分析，如频率域分析、时域分析等。

在我们的例子中，我们将进行频率域分析。

通过分析结果，我们可以得到谐振腔体的谐振频率、谐振模式等信息。

综上所述，使用HFSS对谐振腔体进行分析可以帮助我们了解谐振腔体的电磁场分布、谐振特性等。

这对于设计和优化谐振腔体非常有帮助。

在实际应用中，我们可以根据分析结果进行优化，以满足特定的需求。

实验三微带谐振器品质因数的扫频实验一实验目的1、了解微波扫频测量的工作原理及特点。

2、掌握扫频测量微带谐振器Q值的方法。

二实验原理1. 扫频测量的原理扫频技术是六十年代发展起来的测量技术，具有宽带、快速、连续、直观等优点，和传统的点频测量技术相比，速度可提高成百倍；而且能全面反映被测器件的频率特性，能迅速确定各种因素对整个微波电路频率特性的影响程度，因此，它已成为设计、研制微波元件的有力手段。

虽然，点频测试精度较高，但近年来，随着测试设备和方法的改进，扫频测试精度已达到可与点频测量相当的水平。

目前大多数微波参量，如反射（或驻波）、衰减（或插入损耗）、频率（或波长）、功率、相位、噪声等都可以采用扫频技术加以测量，其频率上限国内已达18GHz。

尽管扫频测量系统的门类繁多，但一个扫频测量系统基本上由扫频信号发生器、微波宽带元件、显示和指示器三部分组成。

其组成可由图3-1来表示。

图3-1 扫频系统的组成扫频信号发生器在测量中是信号产生部分，是整个测量系统的心脏。

它能提供符合测量需要的扫频信号、驱动显示器X轴的扫描信号和对X轴（时间轴）进行频率定度的频率标记。

通常的扫频信号发生器有返波管振荡器和固态扫频振荡器两种。

微波宽带元件在扫频测试系统中应具有良好的宽带特性，即在整个扫频范围内均具有平坦响应，主要有定向耦合器、晶体管检波器、固定衰减器等。

显示和指示器是用来显示、记录或指示检波后的低频信号。

在扫频测量系统中有时还要使用一种专用的音频放大器，为了放大微弱的被测信号。

2. 谐振腔Q 值的测量品质因数Q 是表征微波谐振系统的一个重要的技术参量，品质因素Q描述了谐振系统频率选择性的优劣及电磁能量损耗程度。

它定义为其中l P 为腔的平均损耗功率，W 为腔内的储能。

品质因素Q 的测量方法很多，例如：功率传输法、功率反射法、阻抗法等等，通常可根据待测谐振腔Q 值的大小、外界电路耦合的程度及要求的精度等，选用不同的测量方法。

《工程电磁场数值计算与仿真》实验报告学院：信息工程系：电子信息工程专业：通信工程班级：通信133班学号：30学生姓名：陈佳日期：实验一交叉耦合滤波器设计与仿真一、设计指标要求：中心频率：910MHz带宽：40MHz带内反射：< 20dB带外抑制：在MHz处>20dB此滤波器通过三腔微带结构(环形谐振器)实现。

选用介质板的相对介电常数为护，厚度为h=1.27mm。

腔体为半波长方腔结构，腔间耦合程度通过腔间距离来控制，使得滤波器谐振频率在910MHz。

最终获得反射系数和参数系数曲线的仿真结果。

二、实验设备：PC机、HFSS仿真软件。

三、设计原理：具有带外有限传输零点的滤波器，常常采用谐振腔多耦合的形式实现。

这种形式的特点是在谐振腔级联的基础上，非相邻腔之间可以相互耦合，即”交叉耦合”甚至可以采用源与负载也与谐振腔耦合，以及源与负载之间的耦合。

HFSS仿真实现对滤波器贴片和馈电的建模，然后介绍端口和边界的设置，最后生成了反射系数和传输系数曲线的仿真结果。

滤波器采用三腔微带环形滤波器，其耦合矩阵为：0.30374 1.28205 0.435231.28205 0.21309 1.282050.43523 1.28205 0.30764四、设计仿真步骤：(1)建立新的工程为了方便建立模型，在Tool>Options>HFSS Options 中将Duplicate boundaries withgeometry 复选框选中。

(2)设置求解类型在菜单栏中点击HFSS>Solution Type>Drive n Model>OK.(3)设置模型单位在菜单栏中点击Modeler〉Un its>mm.(4 )建立滤波器模型建立介质基片1)在菜单栏中点击Draw>Box或者在工具栏中点击按钮。

2)在软件操作界面右下角输入长方体起点坐标及X、Y、Z三个方向尺寸。

输入坐标时，可以用Tab 键来切换。

内容概述
圆柱体腔体谐振器简介
HFSS设计概述
HFSS设计步骤和设计流程
1.改名：工程名：Resonator；设计名：Cavity
2.修改模式：本征模求解模式
mm 修改单位： 3.
创建谐振腔模型4.创建圆柱体4.1
4.2修改属性：Cavity，0.8
r=15，，0,0,04.3修改参数：顶点（）H=15
5.设置边界条件：有限导体边界条件
6.添加求解设置项
7.设计检查
有错误，查看之7.1
7.2再检查
运行分析8.
9.查看谐振频率和品质因数
的中心平面的电场和磁场的分布查看模式110. 0,0,1法线方向（）?0,0,7.5建中心平面：顶点：10.1创（）
看电场分布查10.2
看磁场分布查10.3
11.查看模式1的YZ平面上的电场和磁场的分布11.1查看电场
看磁场查11.2
12.查看模式2的电场和磁场的分布12.1更改为模式2
12.2电场和磁场分布已经自动改变
13.隐藏电场和磁场分布
14.添加圆柱介电层
14.1创建圆柱
Roger R03010，改属性：14.2修DielREs
14.3修改参数：顶点（0,0,0），r=5，H=height（4mm）
1mm
，步长：0-1515.添加参数扫描：
析分15.1
16.查看结果。