电子科大HFSS(01)微波仿真技术与微波仿真软件

HFSS 仿真分析波导膜片1. 实验原理矩形波导的结构（如图1），尺寸a×b, a>b ，在矩形波导内传播的电磁波可分为TE 模和TM 模。

图1 矩形波导1）TE 模，0=z E 。

cos cos zz mn m x n y H H e a bγππ-=2cos sin x mn c z n m x n y E H b a bj k e γπππωμ-=2sin cos z y mn c j m m x n y E H e k a a bγωμπππ-=-2sincos z x mn c m m x n y H H e k aa bγλπππ-=2cossin z y mn c n m x n y H H e k ba bγλπππ-=其中，c k 22m n a b ππ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭+mn H 是与激励源有关的待定常数。

2）TM 模Z H =0，由Z E 的边界条件同样可得无穷多个TM 模。

注意：对于mn TM 和mnTE 模，m, n 不能同时为零，否则全部的场分量为零。

mn TM 和mn TE 模具有相同的截止波数计算公式，即c k （mn TM ）=c k （mn TE ）所以，它们的截止波长c λ和截止频率c f 的计算公式也是一样的，即c λ（mn TM ）=c λ（mn TE ）=222⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛b n a mc f （mn TM ）=c f （mn TE ）对于给定的工作频率或波长，只有满足传播条件（f >c f 或λ<c λ）的模式才能在波导中传播。

由公式可以看出矩形波导的c f ，c λ不仅与波导的尺寸a, b 有关，还和模指数m, n 有关。

当a, b 一定时，随着f 的改变，矩形波导可以多模传播，也可以单模传播，甚至也可以处于截止状态。

以a=23mm ，b=10mm 的空心矩形波导为例，由截止频率的计算公式22)()(21bna m f c +=με，可以计算GHz f cTE 52.610=，GHz f cTE 04.1320=，GHz f cTE 1501=，所以波导单模工作的频率范围为6.562-13.123GHz 。

几款主要仿真软件的比较和分析简单归纳一下，射频仿真的几个方面的首推软件：1、混合集成电路设计，PCB板级设计，无源板级器件设计，RFIC/MMIC设计－－－ ADS＋ momentum2、天线设计：首推 Agilent AMDS ，CAD导入，建模很方便。

CST备选。

3、微波腔体，衰减器，微波转接头，波导滤波器等设计：Agilent EMDS or HFSS，有限元法的最佳发挥场所。

电路仿真用nexxim/designer，首推nexxim 瞬态仿真速度很快，频率HB也很不错，适合IC设计或者板级电路设计，2.5D用designer planerEM, 3D用HFSS或者Q3D提取参数，ansoftlinks支持各种PCB layout导入。

唯一的弱点是系统方面较ADS 差些。

ADS内含momentum (基于第三种经典算法－矩量法），是一种对第三维度进行简化的电磁场仿真器，非常适合仿真第三维度上均匀变化的结构，例如电路多层板，如PCB，陶瓷等电路板，常见无源电路，如滤波器等结构。

仿真速度极快，同时保证和HFSS相同的精度。

因此作为板级和IC级电路设计师，ADS momentum 是最好的仿真工具，其效率远超过HFSS和CST。

但是如果要仿真天线，键合线等第三维度上非均匀延展的结构，就需要全波三维求解器。

ADS的系统和电路仿真集成在一起了，瞬态仿真弱一些，最近3D EM方面增强了不少，EMDS集成在ADS里了，单独的EMDS建模不方便，相当于早期的agilent HFSS，价钱比HFSS便宜很多，还比不上HFSS。

安捷伦在ADS2008中推出了其基于有限元算法的电磁场仿真器－－－EMDS，并且和嵌入到ADS中，完全解决了业界最好的路仿真软件ADS与全波三维电磁场仿真器之间的连接。

Ansoft 的HFSS已经不再是有限元的唯一选择了。

安捷伦同时也推出了基于有限时域差分法的工具AMDS，可以做天线仿真，因为是从XFDTD收购过来的，所以技术也非常成熟，同时也能跟ADS连接。

Ansoft HFSS 软件的基本原理及应用一、简介（Brief Introduction）Ansoft HFSS （全称High Frequency Structure Simulator, 高频结构仿真器）是Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，可以对任意的三维模型进行全波分析求解，先进的材料类型，边界条件及求解技术，使其以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使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，已经广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种高频结构，包括：射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩，高速互连结构、电真空器件，研究目标特性和系统/部件的电磁兼容/电磁干扰特性，从而降低设计成本，减少设计周期，增强竞争力。

Ansoft HFSS的应用领域：天线1. 面天线：贴片天线、喇叭天线、螺旋天线2. 波导：圆形/矩形波导、喇叭、波导缝隙天线3. 线天线：偶极子天线、螺旋线天线4. 天线阵列：有限阵列天线阵、频率选择表面（FSS）、5. 雷达散射截面（RCS）微波1. 滤波器：腔体滤波器、微带滤波器、介质滤波器2. EMC（Electromagnetic Compatibility）/EMI（Electromagnetic Intergerence ）：屏蔽罩、近场－远场辐射3. 连接器：同轴连接器\底板、过渡4. 波导：波导滤波器、波导谐振器、波导连接器5. Silicon/GaAs：螺旋电感器、变压器通过HFSS可以获取的信息：1．矩阵数据：S、Y、Z参数和VSWR（匹配）2．相关的场：2D/3D近场－远场图电场、磁场、电流（体/面电流）、功率、SAR辐射3．某空间内的场求解求解类型：Full-wave求解原理：3D有限元法（FEM）网格类型：等角的网格单元：正四面体网格剖分形式：自适应网格(Adaptive Meshing)4．激励：端口求解求解原理：2D-FEM形式：自适应网格（边界条件）HFSS软件的求解原理总体来说，HFSS软件将所要求解的微波问题等效为计算N端口网络的S 矩阵，具体步骤如下：●将结构划分为有限元网格（自适应网格剖分）●在每一个激励端口处计算与端口具有相同截面的传输线所支持的模式●假设每次激励一个模式，计算结构内全部电磁场模式●由得到的反射量和传输量计算广义S矩阵图1 求解流程图自适应网格剖分是在误差大的区域内对网格多次迭代细化的求解过程，利用网格剖分结果来计算在求解频率激励下存在于结构内部的电磁场。

肇庆学院 12通信2班杨桐烁 2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、 HFSS13.0 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。

摘要摘要六十多年前，微波加热原理被发现，应运而生的各种微波炉逐渐让人们看到了这种加热方式所具有的巨大潜力。

而到现在微波加热的应用早已不单单局限于厨房电器的使用，在工、农、化、医等行业里面也正在大放异彩。

随着应用的深入、交叉学科的发展以及各种各样具有优良性能器件的产生，都极大地推动着微波加热课题的研究并对其提出着更高的要求。

微波炉作为最常见的微波加热设备，其核心技术的升级无疑推动着整个微波加热课题水平的进步，固无论是其微波性能还是其结构、生产工艺甚至是成本的改善都具有巨大的研究意义。

传统的研究手段在于在旧一代的产品上更新迭代，通过实验改善某一组件的性能或是某一匹配的性能，或者是借助经验手段和电磁仿真软件HFSS等进行改样测试，例如调整外型构造、增加新型材料等等，直到达成或是基本达成某一性能指标，在仿真软件日益完善的功能下，也取得了一系列的成果。

但是由于仿真水平的发展有限和其它因素，在加热均匀性及能效这些最直观的实际加热效果上，电磁仿真还未有较为成熟的理论和可靠的数据结果，这源自于复杂的微波源负载特性、具体食物的模型以及电磁热参数的量定等等因素难以确定。

本文从微波加热原理及器件诉起，利用仿真软件HFSS、workbench的仿真计算及实验样品测试，利用已有的微波炉产品，通过探寻微波加热水、油及土豆泥的过程，得到具体的加热均匀性数据，同时研究此过程中微波源微波频率的变化，建立一种电磁热耦合仿真手段并对其改善，得到仿真数据。

通过实测磁控管工作频谱并优化仿真模型之后仿真得到得五杯水微波加热均匀性为76.75%，与实测值71.88%接近，并在加热冷热点上很好对应。

通过VSWR改善仿真频谱之后仿真得到得五杯油温均匀性为65%，位于实测数值范围内。

同样的，通过VSWR改善仿真频率之后代入微波加热土豆泥仿真的仿真温度能与实测温度相对应，均匀性也相当。

仿真数据接近实验数据，证实了这种微波加热均匀性的仿真方法的可行性。

《微波技术与天线》HFSS仿真实验报告实验二H面T型波导分支器设计一．仿真实验内容和目的使用HFSS设计一个带有隔片的H面T型波导分支器,首先分析隔片位于T型波导正中央,在8~10GHz的工作频段内,波导输入输出端口的S参数随频率变化的关系曲线以及10GHz时波导表面的电场分布；然后通过参数扫描分析以及优化设计效用分析在10GHz处输入输出端口的S参数随着隔片位置变化而变化的关系曲线；最后利用HFSS优化设计效用找出端口三输出功率是端口二输出功率两倍时隔片所在位置。

二．设计模型简介整个H面T型波导分为两个部分：T型波导模型,隔片。

见图1。

图1三．建模和仿真步骤1.运行HFSS并新建工程,把工程另存为Tee.hfss。

2.选择求解类型：主菜单HFSS→solution type→driven modal,设置求解类型为模式驱动。

3.设置长度单位：主菜单modeler→units→in,设置默认长度单位为英寸。

4.创建长方体模型1）从主菜单选择draw→box,进入创建长方体模型的工作状态,移动鼠标到HFSS工作界面的右下角状态栏,在状态栏输入长方体的起始点坐标为（0,-0.45,0）,按下回车键确认之后在状态栏输入长方体的长宽高分别为2,0.9,0.4。

2）再次按下回车键之后,在新建长方体的属性对话框修改物体的位置,尺寸,名称,材料和透明度等属性。

在attribute选项卡中将长方体名称项（name）修改为Tee,材料属性（material）保持为真空（vacuum）不变,透明度（transparent）设置为0.4。

3）设置端口激励4）复制长方体第二个和第三个臂5）合并长方体5.创建隔片1）创建一个长方体并设置位置和尺寸2）执行相减操作上诉步骤完成后即可得到H面T型波导的三维仿真模型图如图2所示图26.分析求解设置1）添加求解设置：在工程管理窗口中展开工程并选中analyse节点,单击右键,在弹出的快捷菜单中选择add solution type并设置相关参数,完成后工程管理窗口的analyse节点下会添加一个名称为setup1的求解设置项2）添加扫频设置：在工程管理窗口中展开analysis节点,右键单击前面添加的setup1求解设置项,在弹出菜单中单击add frequency sweep,并设置sweep name,sweep type,等参数。

各大仿真软件介绍（包括算法，原理） 1．引言微波系统的设计越来越复杂，对电路的指标要求越来越高，电路的功能越来越多，电路的尺寸要求越做越小，而设计周期却越来越短。

传统的设计方法已经不能满足系统设计的需要，使用微波EDA软件工具进行微波元器件与微波系统的设计已经成为微波电路设计的必然趋势。

随着单片集成电路技术的不断发展，GaAs、硅为基础的微波、毫米波单片集成电路（MIMIC）和超高速单片集成电路（VHSIC）都面临着一个崭新的发展阶段，电路的设计与工艺研制曰益复杂化，如何进一步提高电路性能、降低成本，缩短电路的研制周期，已经成为电路设计的一个焦点，而EDA技术是设计的关键。

EDA技术的范畴包括电子工程设计师进行产品开发的全过程，以及电子产品生产过程中期望由计算机提供的各种辅助功能。

一方面EDA技术可为系统级、电路级和物理实现级三个层次上的辅助设计过程，另一方面EDA技术应包括电子线路从低频到高频，从线性到非线性，从模拟到数字，从分立电路到集成电路的全部设计过程[1-2]。

随着无线和有线设计向更高频率的发展和电路复杂性的增加，对于高频电磁场的仿真，由于忽略了高阶传播模式而引起仿真的误差。

另外，传统模式等效电路分析方法的限制，与频率相关电容、电感元件等效模型而引起的误差。

例如，在分析微带线时，许多易于出错的无源模式是由于微带线或带状线的交叉、阶梯、弯曲、开路、缝隙等等，在这种情况下是多模传输。

为此，通常采用全波电磁仿真技术去分析电路结构，通过电路仿真得到准确的非连续模式S参数。

这些EDA仿真软件与电磁场的数值解法密切相关的，不同的仿真软件是根据不同的数值分析方法来进行仿真的。

通常，数值解法分为显示和隐示算法，隐示算法（包括所有的频域方法）随着问题的增加，表现出强烈的非线性。

显示算法（例如FDTD、FIT方法在处理问题时表现出合理的存储容量和时间。

本文根据电磁仿真工具所采用的数值解法进行分类，对常用的微波EDA仿真软件进行论述。

电磁场仿真软件在“微波技术”课程教学中的应用李海英;吴振森【摘要】本文将三维电磁场仿真软件CST微波工作室引入“微波技术”课程课堂教学.以负载阻抗单支节匹配和矩形波导为例,实现了微波结构工作性能可视化仿真.该实例表明,仿真软件在“微波技术”课程教学中具有良好的辅助作用,能够强化学生对器件性能的理解和掌握,提高教学质量;同时仿真软件的运用能够扩展学生的知识视野,增强学习兴趣.【期刊名称】《电气电子教学学报》【年(卷),期】2016(038)002【总页数】3页(P143-145)【关键词】微波技术;电磁场仿真软件;虚拟教学【作者】李海英;吴振森【作者单位】西安电子科技大学物理与光电工程学院,陕西西安710071;西安电子科技大学物理与光电工程学院,陕西西安710071【正文语种】中文“微波技术”课程中有关传输线的工作状态分析、阻抗匹配方法、波导场结构和大量微波元器件性能等内容都非常抽象，而它们又恰好是微波电路设计的重要部分，因此如何在教学过程中使学生能够轻松理解和掌握这些知识点是主讲教师面临的一个重要问题[1]。

在实验教学部分，实物实验有助于培养学生的动手实践能力，但存在设备价格昂贵，易损坏等缺点[2]。

而虚拟仿真技术可以避免这些问题，计算机语言编程或者三维电磁场仿真软件能灵活地对微波器件性能进行分析并优化设计，具有良好的可视化、形象化等特点[3-5]。

本文将三维全波电磁场仿真软件CST微波工作室引入“微波技术”课堂教学，仿真分析了负载阻抗匹配和矩形波导工作特性，并尝试进行优化分析，为促进虚拟仿真技术在“微波技术”课程教学中的应用提供一定的参考[6]。

近几年，国内外大量的电磁场仿真软件在电磁场与微波技术领域广泛流行，如：CST，HFSS，FEKO等[6,7]。

这类软件都是使用不同数值算法来求解电磁场和微波问题，具有效率高，精度符合需求等特点。

通过将微波器件建立几何模型，选取合适的电磁场计算方法分析研究其性能指标，能形象地演示器件工作过程中电磁场的时空演化特征。

电磁场仿真软件在“微波技术”课程教学中的应用
李海英;吴振森
【期刊名称】《电气电子教学学报》
【年(卷),期】2016(38)2
【摘要】本文将三维电磁场仿真软件CST微波工作室引入“微波技术”课程课堂教学.以负载阻抗单支节匹配和矩形波导为例,实现了微波结构工作性能可视化仿真.该实例表明,仿真软件在“微波技术”课程教学中具有良好的辅助作用,能够强化学生对器件性能的理解和掌握,提高教学质量;同时仿真软件的运用能够扩展学生的知识视野,增强学习兴趣.
【总页数】3页(P143-145)
【作者】李海英;吴振森
【作者单位】西安电子科技大学物理与光电工程学院,陕西西安710071;西安电子科技大学物理与光电工程学院,陕西西安710071
【正文语种】中文
【相关文献】
1.浅谈电磁仿真软件在电磁场与微波技术教学中的应用 [J], 高山山
2.Matlab在电磁场与微波技术教学中的应用 [J], 王春彦;邸金红
3.电磁仿真软件在微波技术课程教学中的应用 [J], 陈晓辉;郭欣欣
4.ADS软件在电磁场与微波技术教学中的应用 [J], 张恩浩
5.仿真软件在微波技术教学中的应用 [J], 刘亚军;莫家庆
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