HFSS学习¶

第一章 HFSS简介¶

1.1 CAE仿真与电磁场求解¶

1.1.1CAE电磁场求解的三个主要应用方向¶

1.1.2 Maxwell 方程组的数值计算求解¶

通过网格剖分，将空间剖分成网格，在每个网格中计算电磁场的分布，从而简化求解的难度。

使用HFSS，可以使用MoM,FEM,DGTD,PO,SBR方法仿真求解。

1.1.3 多物理场仿真与耦合¶

1.2 HFSS产品简介¶

1.2.1 HFSS简介¶

Ansys HFSS是一款通用的三维结构全波高频电磁场仿真工具，为用户提供自动和自适应网格破分技术和先进的电磁场算法，实现高精度、高可信度而又易于使用和掌握的电磁求解，是高频/高速工程师的必备工具
能够求解从射频和微波到高速PCB和封装信号在内的各种电磁场问题
拥有最广泛的用户基础，被业界普遍视为高频结构仿真的黄金工具
作为一款三维全波电磁场求解工具，具有到电路仿真器的动态链接，可以让工程师在构建天线、高速互联、RF组件和可穿戴设备的模拟原型
核心算法为频域有限元FEM算法，也包括了时域有限元（DGTD）、积分方程法（IE）、物理光学法（PO）、弹跳射线法（SBR+）等多种算法，实现从复杂结构和电大尺寸问题的全面求解功能，具有很好的通用性和稳健性
内置电磁兼容仿真库和医疗医学仿真库
射频电路和系统仿真
可为HFSS添加RF电路分析功能
让工程师能够设计RF和微波电路以及基于标准通信方案的完整端到端的无线通信系统
线性和非线性仿真
例如谐波平衡、滤波器综合、振荡器以及负载牵引/包络分析，相位噪声分析
2.5D平面MOM求解器
系统级射频干扰仿真

1.2.2 仿真功能¶

FEM和IE适合结构复杂的电磁问题(10个波长以内)
大型问题，运行时间内存需求非常大
结合区域分解法DDM，精确求解有限大阵列问题
SBR和PO适合结构简单，超大电尺寸问题(10000个波长以上)
SBR+可以在保证速度和精度的前提下，解决电大尺度问题
混合算法可以解决电大尺寸同时结构复杂的真实工程问题(100个波长)
天线罩、阵列天线与运载平台的相互作用问题

1.2.3 HFSS在计算电磁学领域的关键技术突破¶

1.2.4 射频干扰仿真工具¶

1.3 HFSS的算法技术¶

1.3.1 HFSS的算法¶

HFSS:Frequency domain finite element solver(频域有限元)
支持直接法、迭代法和区域分解法矩阵求解，支持本征模式求解
最广泛的适用范围，包括天线和天线阵，微波器件，PCB和封装等
HFSS-Transient: Time domain finite element solver(时域有限元)
v13版本添加，显式求解与隐式求解相结合
主要用于研究电磁瞬变现象，如雷击，ESD等
HFSS-IE: Frequency domain integral equation solver(频域矩量法)
V12版本添加，支持MLFMM和ACA矩阵算法，支持特征模求解
主要用于金属结构和均匀介质辐射与散射问题
HFSS-SBR+:Shooting and Bouncing Rays solver (弹跳射线法)
V15版本添加，考虑爬行波的修正，可以考虑绕射效应
主要用于电大金属结构，包括天线与安装平台的相互作用
HFSS-PO: Physical Optics solver ((物理光学法)
V14 版本添加，不考虑绕射效应
主要用于电大简单金属结构

1.3.2 HFSS对整个仿真空间进行网格剖分¶

A. 基于网格进行数值计算¶

采用四面体网格
通过网格剖分，将求解结构离散化，然后对每个网格求解Maxwell方程，得到结构的整体电磁特性和S参数
HFSS网格包括所有结构细节，能够更好体现结构特性，确保结果的可靠性

B. 自适应剖分¶

自动生成初始网格，根据电场梯度细化，迭代，直至满足精度要求。在电场梯度较大的地方增加网格，从而更精确地确定电场分布。从而实现用尽可能少的网格，在减少软件的时间代价和性能代价的基础上，实现更精确的仿真。

1.3.3 超限元法(Transfinite Element Method)¶

根据端口的形状进行波导本征模的展开

端口场可以根据波导的本征模来展开 $$ \vec{E}=\sum_{i=1}^M\left(\alpha_i+\beta_i\right)\vec{e}_i\Rightarrow\beta=S\alpha $$

每个模式可以看做是端口面的基函数，这些模式从本质上讲师端口面的基本解或者格林函数，所以超限元法相当精确。
超限元法同样包括确切的边界条件
通过激励第$i^{th}$的模式($a_j=\delta_{ij}$)，可以解决$S$矩阵的第$i^{th}$列

1.3.4 DDM区域分解法¶

A. 一般DDM¶

B. 采用DDM技术的混合算法¶

从图中可以看出，虽然喇叭和反射面不在同一个空间中，但是通过FE-BI技术可以进行同时的高效率计算

进一步的，在下图中，只需要将需要高精度求解的喇叭用求解区域包裹住，将反射面设置为IE区域，直接进行仿真计算

C. 针对周期性结构的DDM技术¶

求解一个单元，通过迭代将真实的其他单元(边缘的？中央的？)的场分布描述出来。可以考虑到边缘效应、耦合效应和加权效应等等等等。

1.3.5 Ansys SBR+Solver¶

功能强大的电磁场工具
能够帮助工程师确定在大型结构和区域中已经安装的天线的性能
射线跟踪技术
提供远场辐射图的速度远远超过传统FEA
可以模拟多次反弹、边缘绕射和爬行波射线
混合求解器技术
在为大型区域设计或实现天线的时候，可以利用Ansys HFSS中集成的SBR+混合求解器技术获得更准确的解决方案

1.3.6 其他重要技术¶

1.4 HFSS的界面以及操作流程¶

1.4.1 ANSYS AEDT¶

HFSS任意三维结构的电磁场分析
HFSS 3D Layout
Maxwell 3D/2D
Q3D/Q2D Extractor
Circuit Simulation

1.4.2 三个基本界面¶

3D Layout 编辑器¶

1.4.3 HFSS的电磁仿真工作流程¶

HFSS自动求解过程¶

第二章模型与网络¶

2.1 HFSS中的建模与模型处理¶

2.1.1 建模环境、过程及工具介绍与演示¶

A. HFSS建模器中的三维物体¶

???note “几何属性对话框不出现？” 如果在上面的步骤中，完成三维实体的绘制后，没有弹出几何属性对话框？

B. Boolean 操作以及空间位置变换¶

几何缠绕

压印

C. 实体交叠¶

2.1.2 模型导入与修复¶

A. 导入几何¶

导入的几何模型通常是没有参数化的，如果需要进行参数化，可以用下面的方式：

长度参数化、半径参数化
按住Ctrl按键，选择需要参数化的表面，
在菜单项目 Modeler>Surface>Move Faces > Along Normal
在弹出的窗口中输入变量的名称和变量值

B. 修复导入几何¶

修复和缝合示例
菜单Modeler > Model Analysis > Heal
如果一个零件中的两个边缘不接触，修复将尝试扩展表面边缘以使其接触
一些间隙无法通过愈合修复，缝合应用于扰乱表面将边缘连接到一起

可以通过调整stitching和tighten gaps来设置修复容限

2.2 参数化建模¶

建模的时候输入变量，从而编辑变量值以更新模型对象。这样可以有效地修改复杂模型。

2.2.1 基于公式的几何¶

任何可以用三维方程描述的线或面都可以画出来
创建参数化方程或参数化曲面
通过以下路径实现：Draw> Equation Based Curve and Draw> Equation Based Surface

2.2.2 脚本建立几何体¶

VB脚本，Java脚本和Python脚本可用于生成复杂的几何
通过菜单路径实现：Tools> Run Script
脚本可以通过对话框或者硬件码的输入获取所需的参数信息

2.3 HFSS中的网格技术¶

2.3.1 HFSS网格剖分¶

A. HFSS的自适应剖分¶

生成几何体共型的四面体网格，加密网格的尺寸小于用户的设定值
采用迭代算法求解模型的场，并智能化细化网格，直到S参数收敛误差小于用户规定的门限值，Max Delta S
用户自定义频率即进行自适应网格剖分的频率
每步求解后，对四面体单元按照满足麦克斯韦方程的精度进行分级
用户自定义每步进行的自适应加密的网格的比例(默认为30%)

B. 初始网格概述¶

TAU网格：对导入的几何体比较有效，可以用于自动改善和修复，对模型进行从体到面的分析，通常效率较高

Classic网格：HFSS 3D Layout的默认选项，对模型进行从面到体的分割，效率较低

Note

通过调整滑块，可以手动调节剖分网格的疏密程度

C. 自适应端口细化¶

端口处采用二维有限元本征模求解，通过自适应迭代来确定激励的特征阻抗和传播常数，自适应端口求解是初始网格生成过程的一部分，需要将在端口上得网格和三维求解域内的网格对齐。

2.3.2 相关网格求解¶

A. 相关求解¶

Note

用于多频段求解，基于第一个求解后的网格，自适应求解第二个频点

2024R2(或之前)已经将相关求解的设置集成到单个求解中，在Solution Frequency中选择多频点进行求解，或者使用宽带仿真

第三章材料与边界条件¶

第四章激励与求解¶

第五章算法与使用¶

第六章后处理¶

第七章优化与提速¶

第八章场路协同实例¶

第九章 PYaedt¶

实例1 KKa Antenna Unit¶

Adaptive Solutions¶

Time

Solution Frequency Type	Frequency	Start Time	End Time	Solve Elements	$\Delta$S	Time
Single	30GHz	06:18pm	06:28pm	76112	0.014	10min
Multi-Freq	19.7,29.1GHz	06:01pm	06:14pm	76491	0.017	13min
Broadband	19.7,29.1GHz	06:46pm	07:01pm	77087	0.018	15min

S Parameter

Axial Ratio

Solution Options¶