CHHFSS仿真原理與使用方法實(shí)用

會(huì)計(jì)學(xué)1CHHFSS仿真原理與使用方法實(shí)用主要內(nèi)容2.2HFSS仿真類型與過程2.3HFSS使用方法與技巧2.1HFSS仿真原理--有限元法第1頁/共46頁2.1HFSS仿真原理----有限元法一、微波問題數(shù)值分析方法1.電磁場(chǎng)方程(1)有源激勵(lì)問題（DrivenModel）

邊界條件波動(dòng)方程:

邊界條件

Maxwell方程:

(2)無源本征值問題

(EigenvalueModel）

邊界條件波動(dòng)方程:

邊界條件

Maxwell方程:

(3)算子表示：區(qū)域邊界L,B:微分或積分算子u:電磁場(chǎng)量E或Hg,q:域內(nèi)或邊界源量

第2頁/共46頁2.加權(quán)殘數(shù)法(1)場(chǎng)量u離散化：正交完備基函數(shù)的加權(quán)和。函數(shù)通過內(nèi)積形成泛函，即從矢量函數(shù)空間到標(biāo)量函數(shù)空間的映射。求函數(shù)u→求系數(shù)a

連續(xù)→離散函數(shù)→代數(shù)(2)加權(quán)殘數(shù)法：。u近似解：權(quán)函數(shù)=基函數(shù)，伽略金法(Galerkin)權(quán)函數(shù)內(nèi)積構(gòu)成誤差泛函：第3頁/共46頁2.加權(quán)殘數(shù)法(3)線性代數(shù)方程：矩陣方程組：求方程組→a→uN越大，越接近真解，計(jì)算量越大矩量法、有限元法基于此方法求解矩量法（MethodofMoment,MoM）：基于積分方程求解有限元法（FiniteElementMethod,FEM）：基于微分方程求解線性方程組：第4頁/共46頁二、有限元法1.HFSS的仿真方程[無源]矢量E波動(dòng)方程：HFSS仿真基礎(chǔ)問題：兩邊同乘ur，可以嗎？第5頁/共46頁2.HFSS的離散單元基函數(shù)：全域基函數(shù)，滿足邊界，較難。分域基函數(shù)，全域分成很多離散單元?！臻g離散化(manysmallersubsections)。離散單元：四面體（tetrahedra）四面體是較好選擇：其他選擇：矩形塊、六面體…能模擬任意形狀的幾何體數(shù)值解的精度高網(wǎng)格(Mesh)：節(jié)點(diǎn)總數(shù)N網(wǎng)格越細(xì)，N越大未知量越多，計(jì)算量越大計(jì)算精度越高第6頁/共46頁2.HFSS的離散單元棱邊元：矢量有限元，四面體內(nèi)場(chǎng)的插值方法。棱邊i的矢量基函數(shù)棱邊i的未知系數(shù)zeroorderbasisfunction:

firstorderbasisfunction:makesuseofnodalvaluesatedgesonly.

每個(gè)四面體6個(gè)未知量Secondorderbasisfunction:20unknownspertetrahedron.

45unknownspertetrahedron.

nodalvaluesatvertices,onedgesandonfaces.

第7頁/共46頁3.HFSS的場(chǎng)求解權(quán)函數(shù)作內(nèi)積散度定理代入E式線性方程組矩陣方程組A：稀疏矩陣注：四面體元內(nèi)ai不為零第8頁/共46頁4.HFSS的方程組求解直接法：矩陣A求逆，通常采用LU分解法，A=LU

一般計(jì)算復(fù)雜度：

HFSS稀疏矩陣算法：迭代法：給定初值a0:

迭代過程（CG）：

收斂判斷：

一般計(jì)算復(fù)雜度：

HFSS稀疏矩陣算法：HFSS自適應(yīng)迭代法：第9頁/共46頁2.2HFSS仿真類型與過程Thecomputationalvolumeanditsparts:Solutionspace：consistsofalltheregionsandobjectswithinwhichauserwantstodeterminetheEMfields,withinwhichHFSSexplicitlycalculatesallEMfields.Outsideboundaries:theouter-mostsurfaces,orfaces.Anyfieldquantitiesthatareoutsidethisvolumecanbederivedfromthefieldswithinit.注意：HFSS的背景通常默認(rèn)為理想導(dǎo)體第10頁/共46頁2.2HFSS仿真類型與過程Thefoursolutiontypes：UsingHFSS,selecttypeofsolutionneedstocalculate：1.DrivenModal:S-matrixofincidentandreflectedpowersofWGmodes.2.DrivenTerminal:S-matrixofterminalvoltagesandcurrents.3.Eigen-mode:resonant

frequencyandfieldsataparticularresonance.4.Transient:Calculatingproblemsinthetimedomain.CoupledCavityresonatoranalyzedusingEigenmodesolverCoplanarMicrostripstructureanalyzedusingDrivenModalCoplanarMicrostripstructureanalyzedusingDrivenTerminal第11頁/共46頁2.2HFSS仿真類型與過程ThesixgeneralstepsinanHFSSsimulation：第12頁/共46頁2.3HFSS使用方法與技巧一、HFSS工作環(huán)境（Desktop）

第13頁/共46頁一、HFSS工作環(huán)境

第14頁/共46頁一、HFSS工作環(huán)境

第15頁/共46頁一、HFSS工作環(huán)境

第16頁/共46頁一、HFSS工作環(huán)境

HFSS仿真過程：

1.運(yùn)行HFSS，建立項(xiàng)目（Project,###.hfss）2.插入一個(gè)設(shè)計(jì)(Design)3.選擇求解器類型(SolutionType)4.設(shè)置合適的單位(Units)5.建立模型（Model）6.設(shè)置邊界條件（Bounderies）7.設(shè)置激勵(lì)（Excitions）8.設(shè)置求解頻率等（SolutionSetup）9.檢查當(dāng)前工程的有效性（Validationcheck）10.求解當(dāng)前工程（Analyzeall）11.創(chuàng)建結(jié)果報(bào)告（Results）六大步驟四個(gè)準(zhǔn)備第17頁/共46頁二、HFSS項(xiàng)目與設(shè)計(jì)1.項(xiàng)目操作File→New,Open,Save,SaveasEdit→Delete,Rename創(chuàng)建：Waveguide.hfss2.插入設(shè)計(jì)Project→InsertHFSSdesign創(chuàng)建：WG3.求解類型HFSS→SolutionType…4.設(shè)置單位Modeler→Units…第18頁/共46頁三、HFSS建模（Model）1.建立矩形體（波導(dǎo)）Position:(0,0,0);Dx=50mm;Dy=22.86mm,Dz=10.16mm輸入坐標(biāo)方式：鼠標(biāo)點(diǎn)擊輸入，再修改特性：2.修改實(shí)體特性：名稱，透明度…3.修改可見性：

View->Hide,Show,Activeview…5.線、面、體的選擇：

Edit->Select/Deselect，V/E/F/O/M6.定位功能：網(wǎng)格、頂點(diǎn)、邊中點(diǎn)、面中點(diǎn)…4.旋轉(zhuǎn)、縮放：Rotate，Zoom第19頁/共46頁三、HFSS激勵(lì)設(shè)置激勵(lì)設(shè)置在端口（Port）處；HFSS有8中激勵(lì)形式；選擇合適的激勵(lì)；常用波端口激勵(lì)。第20頁/共46頁三、HFSS激勵(lì)設(shè)置波端口（WavePort）：外部端口通過傳輸線方式對(duì)微波結(jié)構(gòu)施加激勵(lì)。HFSS處理：1.假設(shè)連接與端口相同形狀與材料的半無限長(zhǎng)波導(dǎo)。2.每個(gè)波端口的二維場(chǎng)解為三維問題提供端口上的邊界條件。二維端口場(chǎng)采用2D有限元方法求解。第21頁/共46頁三、HFSS激勵(lì)設(shè)置波端口設(shè)置技巧：第22頁/共46頁三、HFSS激勵(lì)設(shè)置波端口設(shè)置技巧：1.選擇端口面->右鍵->AssignExcitation->WavePort;2.端口名：Port13.模式：模式數(shù)，積分線，特性阻抗Z0，極化…4.端口處理：歸一化，參考面移動(dòng)（Deembeded）第23頁/共46頁四、HFSS邊界條件激勵(lì)設(shè)置在端口（Port）處；HFSS有8中激勵(lì)形式；選擇合適的激勵(lì)；常用波端口激勵(lì)。第24頁/共46頁六、HFSS材料設(shè)置材料參數(shù)：1.相對(duì)磁導(dǎo)率：2.相對(duì)介電常數(shù)：3.導(dǎo)電率：4.介電常數(shù)損耗角正切：5.磁損耗角正切：6.各向異性材料：第25頁/共46頁六、HFSS材料設(shè)置使用材料庫：Tools>EditConfiguredLibraries>Materials

第26頁/共46頁六、HFSS材料設(shè)置材料設(shè)置：方式1：SelectObject->RightClick->AssignMaterials

方式2：Selectobject->Edit->Properties…第27頁/共46頁七、HFSS求解設(shè)置設(shè)置內(nèi)容：1.基函數(shù)設(shè)置；2.矩陣方程求解器設(shè)置；3.自適應(yīng)求解設(shè)置；4.頻率掃描設(shè)置；

第28頁/共46頁七、HFSS求解設(shè)置自適應(yīng)求解設(shè)置：第29頁/共46頁七、HFSS求解設(shè)置矩陣方程求解器和基函數(shù)設(shè)置：迭代求解，不收斂時(shí)直接法；迭代精度。

基函數(shù)選擇

迭代參數(shù)

第30頁/共46頁七、HFSS求解設(shè)置頻率掃描設(shè)置：快速掃描離散掃描內(nèi)插掃描第31頁/共46頁八、HFSS有效性檢查和求解第32頁/共46頁九、HFSS結(jié)果報(bào)告1.端口場(chǎng)顯示：口徑場(chǎng)符合波導(dǎo)TE10模分布規(guī)律第33頁/共46頁九、HFSS結(jié)果報(bào)告2.內(nèi)部場(chǎng)顯示：選擇波導(dǎo)上表面->HFSS->Fields…第34頁/共46頁九、HFSS結(jié)果報(bào)告2.內(nèi)部場(chǎng)顯示：場(chǎng)分布符合波導(dǎo)TE10模分布規(guī)律。第35頁/共46頁九、HFSS結(jié)果報(bào)告3.動(dòng)畫顯示：View->Animate…第36頁/共46頁九、HFSS結(jié)果報(bào)告4.S參數(shù)結(jié)果：第37頁/共46頁九、HFSS結(jié)果報(bào)告4.S參數(shù)結(jié)果：達(dá)到預(yù)期結(jié)果：S21->1;S11->0第38頁/共46頁十、拓展：波導(dǎo)不連續(xù)性仿真對(duì)稱膜片尺寸：厚度0-1mm寬度1-8mm高度10.16mm1.添加膜片2.Subtract3.仿真:8-12GHz

場(chǎng)分布；S參數(shù)第39頁/共46頁十、拓展：波導(dǎo)不連續(xù)性仿真第40頁/共46頁十、拓展：波導(dǎo)不連續(xù)性仿真ExportData：HFSS->Results->SolutionData第41頁/共46頁十、拓展：波導(dǎo)不連續(xù)性仿真去嵌入技術(shù)：第42頁/共46頁十、拓展：波導(dǎo)不連續(xù)性仿真等效電路提?。?1)近似公式(2)HFSS提取第43頁/共46頁十、拓展：波導(dǎo)不連續(xù)性仿真等效參數(shù)結(jié)果