HFSS與MWS簡(jiǎn)介及HFSS使用心得

2016-09-29 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

目前,國(guó)際上主流的三維高頻電磁場(chǎng)仿真軟件有德國(guó)CST公司的MicroWave Studio(微波工作室)、美國(guó)Ansoft公司的HFSS(高頻電磁場(chǎng)仿真),而諸如Zeland等軟件則最多只能算作2.5維的。

就目前發(fā)行的版本而言, CST的MWS的前后處理界面及操作感比HFSS好很多,然而Ansoft也意識(shí)到了自己的缺點(diǎn),在將要推出的新版本HFSS(定名為Ansoft Designer)中,界面及操作都得到了極大的改善,完全可以和CST相比;在性能方面,2個(gè)軟件各有所長(zhǎng),在業(yè)界每隔一定時(shí)間就會(huì)有一次軟件比賽,看看誰(shuí)的軟件算的快,算的準(zhǔn),在過(guò)去的時(shí)間里,CST和 ANSOFT成績(jī)相差不多;價(jià)格方面,2個(gè)軟件相差不多,大約在7~8萬(wàn)美元的水平,且都有出國(guó)培訓(xùn)的安排。值得注意的是,MWS采用的理論基礎(chǔ)是FDTD(有限時(shí)域差分方法),所以MWS的計(jì)算是由時(shí) 域得到頻域解,對(duì)于象濾波器,耦合器等主要關(guān)心帶內(nèi)參數(shù)的問(wèn)題設(shè)計(jì)就非常適合;而HF SS采用的理論基礎(chǔ)是有限元方法,是一種積分方法,其解是頻域的,所以HFSS是由頻域到時(shí)域,對(duì)于設(shè)計(jì)各種輻射器及求本征模問(wèn)題很擅長(zhǎng)。當(dāng)然,并不是說(shuō)2個(gè)軟件在對(duì)方的領(lǐng)域就一無(wú)是處。由于Ansoft進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)較早,所以目前國(guó)內(nèi)的HFSS使用者眾多,特別是在各大通信技術(shù) 研究單位、公司、高校非常普及。

2、使用心得和大部分的大型數(shù)值分析軟件相似,以有限元方法為基礎(chǔ)的Ansoft HFSS并非是傻瓜軟件, 對(duì)于絕大部分的問(wèn)題來(lái)說(shuō),想要得到快速而準(zhǔn)確的結(jié)果,必須人工作一定的干預(yù)。除了必須十分明了模型細(xì)節(jié)外,建模者本身也最好具備一定的電磁理論基礎(chǔ)。作者假定閱讀者使用過(guò)HFSS,因此對(duì)一些屬于基本操作方面的內(nèi)容并不提及。 2.1、對(duì)稱的使用對(duì)于一個(gè)具體的高頻電磁場(chǎng)仿真問(wèn)題,首先應(yīng)該看看它是否可以采用對(duì)稱面。這里面的約束主要在幾何對(duì)稱和激勵(lì)對(duì)稱要求。如果一個(gè)問(wèn)題的激勵(lì)并不要求是可改變的,比如全部同相饋電的陣列,此時(shí)最好采用對(duì)稱,甚至可以采用2個(gè)對(duì)稱(E和H對(duì)稱),將可以大大節(jié) 約時(shí)間和設(shè)備資源。

2.2、面的使用在實(shí)際問(wèn)題中,有很多結(jié)構(gòu)是可以使用2維面來(lái)代替的,使用2維面的好處是可以極大的減少計(jì)算量并且結(jié)果與使用3維實(shí)體相差無(wú)幾。例如計(jì)算一個(gè)微帶的分支線耦合器,印制板的微帶以及地都可以指定某些面為理想電面代替,這樣可以很快的獲得所需要的物理尺寸及其性能。再以計(jì)算偶極子為例,如果偶極子是以理想導(dǎo)體為材質(zhì)的圓柱,那么相同的其他條件下其計(jì)算時(shí)間大約是采用等效面為偶極子的4~5倍,由此可見(jiàn)一般。

2.3、Lump Port(集中端口)的使用在HFSS8里提供了一種新的激勵(lì):Lump Port,這種激勵(lì)避免了建立一個(gè)同軸或者波導(dǎo)激勵(lì) ,從而在一定程度上減輕了模型量,也減少了計(jì)算時(shí)間。Lump Port也可以使用一個(gè)面來(lái)代表,要注意的是對(duì)該P(yáng)ort的校準(zhǔn)線和阻抗線的設(shè)置一定要準(zhǔn)確,端口在空間上一定要與其他金屬(或電面)相接,否則結(jié)果極易出錯(cuò)。

2.4、關(guān)于輻射邊界的問(wèn)題在不需要求解近(遠(yuǎn))場(chǎng)問(wèn)題時(shí),比如密封在金屬箱體里面的濾波器等密閉問(wèn)題,無(wú)需設(shè) 置輻射邊界。在需要求解場(chǎng)分布或者方向圖時(shí),必須設(shè)置輻射邊界。這里有些需要注意的問(wèn)題:在計(jì)算大帶寬周期性結(jié)構(gòu)時(shí),比如3個(gè)倍頻程,最好分段計(jì)算,例如以一個(gè)倍頻程為一段,也就是說(shuō)在不同的頻段計(jì)算時(shí)設(shè)置不同大小的輻射邊界,否則在計(jì)算的頻率邊緣難以保證計(jì)算精度;其次,輻射邊界的大小和問(wèn)題的具體形狀密切相關(guān),如果物體的外部輪廓可以裝在一個(gè)球或并不過(guò)分的橢球中時(shí),宜采用立方體邊界——簡(jiǎn)單有效,如果問(wèn)題的外部輪廓較為復(fù)雜或者橢球2軸差距太大,以采用相似形邊界或圓柱邊界,對(duì)于輻射問(wèn)題,如果估計(jì)問(wèn)題的增益較低(比如2dB),那么邊界宜采用球形,此時(shí)為了得到結(jié)果準(zhǔn)確也只好犧牲時(shí)間了 ;另在HFSS 8中提供了一種新的吸收邊界——PML邊界條件,對(duì)于這種邊界,筆者并不是很滿意,盡管其有效距離為八分之一個(gè)中心波長(zhǎng)——是老邊界的一半,可以減少計(jì)算量,然而這種邊界由程序自己生成,為一個(gè)立方體的復(fù)雜結(jié)構(gòu),對(duì)于一些特殊的復(fù)雜問(wèn)題,這種邊界內(nèi)部有很多的空間是無(wú)用的,此時(shí)還不如使用老邊界靈活。

2.5、關(guān)于開(kāi)孔有些問(wèn)題需要在壁上開(kāi)孔,此時(shí)可以采用2種辦法,其一是老老實(shí)實(shí)的在模型上挖空;其二是采用H/Natrue邊界條件,通常,如果是在面上開(kāi)孔,將會(huì)采用后者,簡(jiǎn)單,便于修改。

2.6、關(guān)于網(wǎng)格劃分當(dāng)模型建立好了之后,進(jìn)入計(jì)算模塊,第一步是給問(wèn)題劃分網(wǎng)格。對(duì)于一般問(wèn)題,讓軟件自動(dòng)劃分比較省心,但對(duì)大型問(wèn)題和復(fù)雜問(wèn)題,讓軟件自己劃分可能需要很好的耐性來(lái)等待。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),在大型模型的結(jié)構(gòu)密集區(qū)域或場(chǎng)敏感區(qū)域使用人工劃分可以得到很好的效果,有些問(wèn)題的計(jì)算結(jié)果開(kāi)始表現(xiàn)為收斂,但進(jìn)一步提高精度,卻又反彈,問(wèn)題就在于開(kāi)始時(shí)場(chǎng)敏感區(qū)域的網(wǎng)格劃分不夠仔細(xì),導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的偏差。

2.7、關(guān)于所需要的精度計(jì)算問(wèn)題時(shí),一般需要給定一個(gè)收斂精度和計(jì)算次數(shù)以避免程序“陷入計(jì)算而無(wú)法自拔” ,當(dāng)對(duì)模型熟悉后,可以單單靠給定次數(shù)。在問(wèn)題之初,建議的計(jì)算精度不要太高,實(shí)際中曾見(jiàn)到有操作者將問(wèn)題的S參數(shù)精度設(shè)定為0.00001,其實(shí)這是完全沒(méi)有必要的,一般S參數(shù)的精度設(shè)定為0.02左右就已經(jīng)可以滿足絕大部分問(wèn)題的需要(此時(shí)應(yīng)該注意有無(wú)收斂反彈的情況)。如果是計(jì)算次數(shù),對(duì)于密閉問(wèn)題,建議是設(shè)定為8~12次,對(duì)于輻射問(wèn)題,一般計(jì)算6~8次左右即可觀察結(jié)果,如果不夠再?zèng)Q定是否繼續(xù)計(jì)算。

2.8、關(guān)于掃描 HFSS提供一個(gè)掃描功能,分3種方式:快速、離散和插值。其中離散掃描只保留最后一個(gè)頻點(diǎn)的場(chǎng)結(jié)果,其計(jì)算時(shí)間是單個(gè)頻點(diǎn)計(jì)算時(shí)間之和;對(duì)快速掃描,將可以得到所計(jì)算的頻率范圍內(nèi)的所有頻率場(chǎng)結(jié)果,但是其計(jì)算速度和頻點(diǎn)多少關(guān)系不大,基本和模型復(fù)雜程度正比,有時(shí)掃描計(jì)算的時(shí)間非常長(zhǎng),如果不是特別需要關(guān)心所有的場(chǎng)情況,建議選用離散掃描,對(duì)于特別巨大的問(wèn)題,則是以快速掃描為宜。而插值方式比較少用。

2.9、關(guān)于問(wèn)題的規(guī)模 HFSS所能計(jì)算的問(wèn)題規(guī)模與計(jì)算機(jī)硬件關(guān)系很大,其次是所使用的操作系統(tǒng)。在HFSS8里, 問(wèn)題描述矩陣的階基本和網(wǎng)格數(shù)正比,對(duì)于四面體上10萬(wàn)的問(wèn)題也能游刃有余(只要機(jī)器夠好),然而這并非是指實(shí)際問(wèn)題的電尺寸,實(shí)際上,要精確計(jì)算一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)電纜接頭(RJ45)所需要的時(shí)間和資源并不比計(jì)算一個(gè)有一個(gè)波長(zhǎng)電尺寸的一般輻射問(wèn)題少多少 ,所以實(shí)際上其計(jì)算規(guī)模的主要約束是問(wèn)題的復(fù)雜程度,而復(fù)雜程度里面包含了電尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度等要素。由此提醒我們建模時(shí)應(yīng)該盡量簡(jiǎn)化模型。一般來(lái)說(shuō),除了在激勵(lì)區(qū),當(dāng)結(jié)構(gòu)電尺寸比二十分之一波長(zhǎng)還小時(shí),可以忽略它的存在而不會(huì)引入明顯的誤差,這一點(diǎn)在解決問(wèn)題之初很有效,可以迅速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的關(guān)鍵;當(dāng)問(wèn)題的主要要求滿足后,再將模型細(xì)化以獲得更加精確的結(jié)果。以上就HFSS使用的各個(gè)方面總結(jié)了一些心得,以供大家參考,如有不當(dāng)之處,請(qǐng)指

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