Ansoft HFSS磁场分析与应用实例

  HFSS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。它具备仿真精度高，可靠性强，仿真速度快，稳定成熟的特点，其自适应网格剖分技术使HFSS成为高频结构设计的首选工具和行业标准。利用HFSS工具可以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，可用于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。

  本书主要讲解在HFSS中建立微波电路分析和天线仿真分析，然后简要讲述HFSS在信号完整性分析和电磁兼容中的应用。微波电路分析的类型包括魔T、微带低通滤波器、SIR微带带通滤波器、微带带阻滤波器、介质谐振器、微带耦合器等。天线仿真分析的类型包括对称振子天线、喇叭天线、贴片天线、测试吸收率装置和端射波导天线阵。在信号完整性分析中的应用包括低压差分信号差分线模型和非理想接地面模型。在电磁兼容中的应用包括屏蔽体模型和散热片模型。

  本书适合有志于从事微波、天线设计工作的读者使用，可作为初学HFSS的入门教材。全书编写时，采用大量的图片，方便读者更快地掌握HFSS的使用方法，本书的光盘配套有全书的所有例子，方便读者学习。

本书共8章，第1章简要回顾了微波的相关理论，主要包括电磁场基本理论、微波电路理论和天线理论，然后讲述HFSS软件采用的算法——有限元法的基本原理。第2章主要讲解HFSS软件的特点和工作界面，然后通过微波电路中的一个简单器件——魔T，讲述HFSS的建模、分析和查看结果的方法。第3章主要讲解使用HFSS进行建模和分析时依据的原理，如边界条件、激励、材料设置、求解设置、网格设定，最后讲解HFSS进行优化设计时依据的算法和优化判定条件。第4章主要讲解如何使用HFSS进行微波电路仿真分析，主要讲解微带低通滤波器、SIR微带带通滤波器、微带带阻滤波器、介质谐振器、微波宽带功分器和微带耦合器。第5章主要讲解如何使用HFSS进行天线建模和仿真分析，主要讲解对称振子天线、喇叭天线、贴片天线、测试吸收率装置和端射波导天线阵。第6章主要讲解HFSS在信号完整性分析中的应用，主要讲解低压差分信号差分线模型和非理想接地面模型。第7章主要讲解HFSS在电磁兼容中的应用，主要讲解屏蔽体模型和散热片模型。第8章首先讲解HFSS中三种激励的区别以及三种求解算法的区别，然后讲解HFSS建模时的一些有用的规则，最后给出微波器件建模时的一些设计技巧，使读者能更快更好地建立微波器件模型。

  本书在编写过程中参考了大量的国内外资料，并且融合了作者在电子科技大学大量的实际研发经验，结合大量实际分析案例来讲解，层层深入到HFSS的高级应用，以求最大限度地为读者提供实用的HFSS教程，帮助读者快速掌握HFSS电磁分析技术。

  本书采用的天线术语均按照IEEE（电气电子工程师协会）有关天线术语的标准定义。附录光盘中有全书的所有HFSS模型，供读者学习、工作时参考。使用本节的读者应具备电磁场理论、微波技术基础和天线理论知识，最好具备矢量分析、三角函数与特殊函数、微积分和线性代数等数学基础。

本书由曹善勇编著，在编写过程中获得了电子科技大学的相关教师的帮助和指导。此外，参与本书工作的还包括王斌、万雷、张强林、张赛桥、陈鲲、李晓宁、丁佳、虞志勇、吴艳、杜英、王晓、余松、夏慧军、陶林、许志清、赵会春等。本书编写过程中参考了大量的优秀教材，在此表示感谢。

  需要指出，本书力求详尽地解释利用HFSS进行电磁场分析的步骤及需考虑的关键因素，并提供了所有实例的模型文件。但由于时间仓促，作者水平有限，书中难免有错漏之处，恳请广大读者批评指正。若有问题请发邮件到sharepub@126.com联系。

前言
 
第1章  微波理论基础 1
1.1  电磁场基本理论 1
1.1.1  麦克斯韦方程组 1
1.1.2  时谐场的麦克斯韦方程组 2
1.1.3  波动方程及其边界条件 2
1.2  微波电路基本理论 3
1.2.1  传输线理论 3
1.2.2  微波网络理论 5
1.2.3  平面传输线与波导传输线 6
1.3  天线基本理论 10
1.3.1  电磁波的传播 10
1.3.2  天线原理 11
1.3.3  电磁散射 13
1.4  电磁兼容问题 14
1.5  有限元法基本原理 14
1.5.1  有限元方法的原理 14
1.5.2  三维时谐场有限元问题 17
1.5.3  有限元方程组的求解 21
1.6  电磁内问题和外问题的不同处理 23
1.7  本章小结 24
第2章  HFSS快速上手 25
2.1  HFSS的特点和应用领域 25
2.2  HFSS与其他软件的协同作业 25
2.3  熟悉HFSS工作环境 26
2.3.1  菜单栏 27
2.3.2  工具栏 33
2.3.3  状态栏 36
2.3.4  Project Manager窗口 36
2.3.5  Properties窗口 37
2.3.6  进度窗口 37
2.3.7  信息管理窗口 37
2.3.8  3D模型窗口 37
2.4  参数化建模 38
2.4.1  模型编辑器用户界面 38
2.4.2  网格平面 39
2.4.3  活动光标 40
2.4.4  创建并查看简单结构 40
2.4.5  画图概述 42
2.4.6  选择之前定义的形状 44
2.4.7  改变视角 47
2.4.8  应用结构的转换 48
2.4.9  通过布尔运算组合物体 49
2.4.10  局部坐标系统 49
2.4.11  几何参数 51
2.5  魔T设计快速上手实例 52
2.5.1  Ansoft HFSS 设计环境 52
2.5.2  启动Ansoft HFSS 53
2.5.3  设置工具选项 54
2.5.4  如何打开一个新工程 55
2.5.5  如何设置解决方案类型
（Set Solution Type） 55
2.5.6  建立3D模型 55
2.5.7  建立波导端口激励 58
2.5.8  边界显示 62
2.5.9  分析设置 62
2.5.10  保存工程 63
2.5.11  分析 64
2.5.12  生成报表 65
2.6  本章小结 70
第3章  HFSS仿真分析基础 71
3.1  边界条件设置 71
3.1.1  背景 72
3.1.2  理想导体边界 72
3.1.3  理想磁边界 73
3.1.4  辐射边界 74
3.1.5  理想匹配层
（Perfect Match Layer） 74
3.1.6  有限导体边界 75
3.1.7  阻抗边界 76
3.1.8  对称边界 76
3.1.9  主从边界 78
3.1.10  集总RLC边界 79
3.1.11  分层阻抗边界 80
3.1.12  无限大地平面 81
3.2  激励设置 82
3.2.1  波端口 82
3.2.2  波端口激励 85
3.2.3  集总端口激励 86
3.2.4  差分对激励 87
3.2.5  磁偏置源激励 88
3.2.6  照射波激励 89
3.3  材料设置 90
3.3.1  相对磁导率 91
3.3.2  相对介电常数 91
3.3.3  电导率 91
3.3.4  介质损耗角正切 92
3.3.5  磁损耗角正切 92
3.3.6  各向异性材料 92
3.4  求解设置 95
3.4.1  输入输出端口的处理 95
3.4.2  自适应分析过程 97
3.4.3  单个频率的解和扫频解 99
3.4.4  HFSS中求解方法的类型 100
3.4.5  电磁场矢量的求解 101
3.4.6  特性阻抗的计算 102
3.4.7  阻抗乘法器的使用 103
3.5  网格设定 104
3.5.1  手动设置网格 104
3.5.2  表面近似设置 106
3.6  优化计算功能 107
3.6.1  优化方法 107
3.6.2  优化变量和设计空间 107
3.6.3  目标函数 108
3.6.4  线性约束 108
3.6.5  目标权值 108
3.6.6  优化计算中的步长 109
3.6.7  敏感性分析 109
3.6.8  调谐分析 110
3.7  本章小结 110
第4章  微波电路仿真分析 111
4.1  微带低通滤波器设计 111
4.1.1  基本原理 111
4.1.2  问题描述和分析思路 111
4.1.3  参数设定 112
4.1.4  创建三维模型 115
4.1.5  设置分析 124
4.1.6  计算结果的评价 125
4.2  SIR微带带通滤波器设计 127
4.2.1  基本原理 127
4.2.2  问题描述和分析思路 128
4.2.3  参数设定 130
4.2.4  创建三维模型 131
4.2.5  设置分析 145
4.2.6  计算结果的评价 146
4.3  微带带阻滤波器设计 152
4.3.1  基本原理 152
4.3.2  问题描述和分析思路 154
4.3.3  参数设定 155
4.3.4  创建三维模型 155
4.3.5  分析设置 168
4.3.6  计算结果的评价 169
4.4  介质谐振器设计 174
4.4.1  基本原理 174
4.4.2  问题描述和分析思路 175
4.4.3  参数设定 177
4.4.4  创建三维模型 177
4.4.5  设置分析 183
4.4.6  计算结果的评价 184
4.5  微波宽带功分器设计 192
4.5.1  基本原理 192
4.5.2  问题描述和分析思路 193
4.5.3  参数设定 194
4.5.4  创建三维模型 195
4.5.5  设置分析 212
4.5.6  计算结果的评价 213
4.6  微带耦合器设计 216
4.6.1  基本原理 216
4.6.2  问题描述和分析思路 217
4.6.3  参数设定 218
4.6.4  创建3D模型 218
4.6.5  设置分析 225
4.6.6  计算结果的评价 226
4.7  本章小结 232
第5章  天线仿真分析 233
5.1  对称振子天线 233
5.1.1  基本原理 233
5.1.2  问题描述和分析思路 234
5.1.3  参数设定 235
5.1.4  建立3D模型 237
5.1.5  设置分析 247
5.1.6  计算结果的评价 249
5.2  喇叭天线 253
5.2.1  基本原理 253
5.2.2  问题描述和分析思路 253
5.2.3  参数设定 254
5.2.4  建立3D模型 255
5.2.5  设置分析 265
5.2.6  计算结果的评价 266
5.3  微带贴片天线 268
5.3.1  基本原理 269
5.3.2  问题描述和分析思路 270
5.3.3  参数设定 271
5.3.4  建立3D模型 272
5.3.5  设置分析 280
5.3.6  计算结果的评价 281
5.4  吸收率测试模型 284
5.4.1  基本原理 284
5.4.2  问题描述和分析思路 284
5.4.3  参数设定 285
5.4.4  创建3D模型 286
5.4.5  设置分析 299
5.4.6  计算结果的评价 300
5.5  端射波导天线阵 304
5.5.1  基本原理 304
5.5.2  问题描述和分析思路 305
5.5.3  参数设定 306
5.5.4  创建3D模型 307
5.5.5  设置分析 314
5.5.6  计算结果的评价 315
5.6  本章小结 320
第6章  HFSS信号完整性分析 321
6.1  低压差分信号（LVDS）差分线 321
6.1.1  基本原理 321
6.1.2  问题描述和分析思路 322
6.1.3  参数设定 323
6.1.4  创建三维模型 325
6.1.5  设置分析 332
6.1.6  计算结果的评价 334
6.2  非理想接地面 341
6.2.1  基本原理 342
6.2.2  问题描述和分析思路 343
6.2.3  参数设定 343
6.2.4  创建三维模型 344
6.2.5  设置分析 353
6.2.6  计算结果的评价 355
6.3  本章小结 357
第7章  HFSS在电磁兼容中的应用 358
7.1  屏蔽体 358
7.1.1  基本原理 358
7.1.2  问题描述和分析思路 359
7.1.3  参数设定 359
7.1.4  创建三维模型 361
7.1.5  设置分析 371
7.1.6  计算结果的评价 372
7.2  散热片 376
7.2.1  基本原理 376
7.2.2  问题分析 376
7.2.3  参数设置 377
7.2.4  创建三维模型 378
7.2.5  设置分析 383
7.2.6  计算结果的评价 384
7.3  本章小结 386
第8章  HFSS分析技巧 387
8.1  求解模式的区别 387
8.2  关于求解的设置 388
8.3  HFSS建模规则 389
8.4  HFSS建模需知 389
参考文献 392

1. ANSYS SpaceClaim直接建模指南与CAE前处理应用解析 [王伟达 黄志新 李苗倩 编著]
2. FEKO 5.4电磁场分析技术与实例详解 [阎照文 苏东林 袁晓梅 编著]
3. FLUENT工程技术与实例分析 [周俊杰 徐国权 张华俊]
4. Ansoft 12在工程电磁场中的应用 [赵博 张洪亮 等编著]