【原創(chuàng)教程】HFSS頻域電磁仿真快速入門（附307M學(xué)習(xí)資料）

2017-04-22  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

前言:這個(gè)教程是在本人2014年在德國(guó)留學(xué)時(shí)給研究生上電磁計(jì)算課時(shí)準(zhǔn)備的,簡(jiǎn)要介紹了HFSS的仿真基礎(chǔ)、流程和技巧,此處重新整理,供大家參考。

同介紹CST一樣,先來(lái)講講有關(guān)HFSS的小故事:HFSS全稱 high frequency structural simulator,其創(chuàng)始人是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon University)大學(xué)教授Prof. Zoltan J. Cendes,他在加拿大麥吉爾大學(xué)(McGill University)念的碩士和博士,重點(diǎn)研究基于有限元的電磁計(jì)算。1973年博士畢業(yè)后,他入職美國(guó)紐約通用公司,干了六年后回到母校麥吉爾大學(xué)當(dāng)副教授,1982年轉(zhuǎn)到卡內(nèi)基梅隆大學(xué)擔(dān)任教授,1984年創(chuàng)立了Ansoft公司(Analysis Software簡(jiǎn)稱)。1988年,鼎鼎有名的惠普公司(HP, Hewlett-Packard Corporation)找到他們進(jìn)行合作,簽訂合同,要求Ansoft負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)出一款電磁仿真軟件,即HFSS,產(chǎn)品成熟后轉(zhuǎn)交HP進(jìn)行銷售,Ansoft公司從中獲得版權(quán)收益(注此時(shí)Ansoft公司很小很小,市場(chǎng)份額幾乎為零,此舉極有利于公司發(fā)展壯大)。1990年,HP-HFSS正式發(fā)布(注此時(shí)HFSS屬HP)。1999年,安捷倫(Agilent)從HP公司分離,HP-HFSS相應(yīng)變?yōu)?strong>Agilent-HFSS。2001年,Ansoft公司又從Agilent手中成功收購(gòu)會(huì)HFSS,改名Ansoft-HFSS。2006年,Ansys公司又成功收購(gòu)Ansoft公司(8.32億美元),改名Ansys-HFSS,這就是大家現(xiàn)在經(jīng)常用到的HFSS的前世今生(國(guó)內(nèi)簡(jiǎn)稱HFSS為海飛絲)。

(1) 仿真基礎(chǔ)

HFSS作為世界上第一款商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件,被公認(rèn)為三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),評(píng)價(jià)和地位非常之高。創(chuàng)始人Prof. Zoltan J. Cendes在2014年的一次訪談中指出,HFSS的先進(jìn)性主要得益于兩點(diǎn),一是高效的自動(dòng)有限元網(wǎng)格生成,二是精確的有限元近似求解。

一個(gè)典型的HFSS仿真過(guò)程可表示如下[1]。

首先是對(duì)仿真目標(biāo)進(jìn)行幾何建模,然后進(jìn)行網(wǎng)格剖分,再通過(guò)有限元精確求解得到電場(chǎng)分布,最后進(jìn)行后處理,得到有用的頻域響應(yīng)。從數(shù)值計(jì)算角度來(lái)說(shuō),對(duì)目標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)格剖分越密集,求解精度越高,但與此同時(shí),計(jì)算量也隨之顯著增加,為此HFSS引入自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù),如下圖所示[1],

首先程序會(huì)對(duì)仿真目標(biāo)進(jìn)行一個(gè)粗略的網(wǎng)格剖分(大量的小四面體),并進(jìn)行有限元近似求解,同時(shí)計(jì)算出每個(gè)剖分單元的近似誤差(因?yàn)閷?duì)電場(chǎng)是近似求解),然后計(jì)算出目標(biāo)頻率響應(yīng)(例如S參數(shù))。按道理說(shuō),結(jié)果已經(jīng)得到,仿真就可以結(jié)束了,但是HFSS說(shuō)不行!還要進(jìn)一步驗(yàn)證當(dāng)前仿真的精度,為此HFSS選擇那些近似誤差較大的剖分單元進(jìn)行加密,然后重新仿真計(jì)算,再次得到新的目標(biāo)頻率響應(yīng),并與上次的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如果兩者結(jié)果相差較大(例如相對(duì)誤差大于2%),說(shuō)明上次網(wǎng)格剖分質(zhì)量還有待提高,因此需要加密網(wǎng)格剖分,繼續(xù)驗(yàn)證對(duì)比,直到仿真結(jié)果趨向一致,這就是所謂的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)。

關(guān)于有限元算法的原理和實(shí)現(xiàn),難度較大,不推薦大家深入學(xué)習(xí),只需要簡(jiǎn)單了解一些基本的知識(shí)即可,比如有限元是從矢量亥姆赫茲方程出發(fā),對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行基函數(shù)分解,然后在進(jìn)行三維體積分,得到目標(biāo)矩陣方程,如下所示

特別的,有限元學(xué)習(xí)時(shí)要與矩量法的原理進(jìn)行區(qū)分,矩量法是基于面剖分,對(duì)表面電流進(jìn)行基函數(shù)分解,然后再進(jìn)行面積分得到目標(biāo)矩陣方程。由于基函數(shù)選取和目標(biāo)方程不同,有限元法在處理電大問(wèn)題上具有顯著優(yōu)勢(shì)。

最后,簡(jiǎn)單介紹一下HFSS在求解器分類,按照官網(wǎng)給出的建議,HFSS三類求解器應(yīng)用場(chǎng)合如下

但實(shí)際上,除了本征模求解器應(yīng)用場(chǎng)合比較明確以外,模式驅(qū)動(dòng)(Driven Model)和終端驅(qū)動(dòng)(Driven Terminal)的應(yīng)用一直容易讓用戶產(chǎn)生疑惑,這里不做過(guò)多討論,建議大家參考官方給出的例子進(jìn)行操作,不要過(guò)多糾結(jié)(如果實(shí)在想搞清楚,建議從算法實(shí)現(xiàn)層面去探究)。

(2) 操作流程

HFSS在軟件設(shè)計(jì)上采用了經(jīng)典的樹(shù)型導(dǎo)航,其界面主要包括菜單工具欄、項(xiàng)目管理欄、屬性窗、消息窗、進(jìn)度窗以及建模視圖窗。

HFSS仿真主要包括建立模型、定義邊界、施加激勵(lì)、設(shè)置求解、掃描頻率和后處理六個(gè)步驟。

第一步:建立模型

根據(jù)仿真目標(biāo)的幾何屬性和材料特性,選擇Modeler->Units設(shè)置單位,再在工具欄中選擇對(duì)應(yīng)幾何物理進(jìn)行建模,可選擇參數(shù)化建模(Local Variable,在Design Properties中可以查看)。

第二步:定義邊界

HFSS仿真時(shí)一般需要畫一個(gè)空氣盒子,把仿真目標(biāo)全部包含在內(nèi),然后再在空氣盒子的外表面設(shè)置輻射邊間(或吸波邊界)。這是因?yàn)?span style="color:#FF0000;">HFSS仿真背景空間默認(rèn)為PEC邊界!對(duì)于仿真目標(biāo),則根據(jù)具體需求設(shè)置對(duì)應(yīng)邊界。

第三步:施加激勵(lì)

除本征模分析以外,其它頻域仿真都需要外加激勵(lì)(空間場(chǎng)/波端口/集總端口),特別在應(yīng)用波端口激勵(lì)時(shí),需要定義積分線(方便定義模式和等效電壓),當(dāng)求解模式為終端驅(qū)動(dòng)時(shí),還需要注意參考地的設(shè)置。

第四步:設(shè)置求解

仿真前需要由用戶指定求解器工作模式(也可在第一步建模前設(shè)置)和工作頻點(diǎn)(用于網(wǎng)格剖分,可設(shè)置為最高頻點(diǎn)),并定義仿真結(jié)束條件(最大仿真次數(shù)和誤差標(biāo)準(zhǔn)),然后以此為基準(zhǔn)開(kāi)展自適應(yīng)網(wǎng)格剖分和迭代求解。

第五步:掃描頻率

仿真啟動(dòng)后,HFSS首先在工作頻點(diǎn)處開(kāi)展仿真,得到滿足要求的高質(zhì)量網(wǎng)格剖分,然后以此網(wǎng)格剖分為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)用戶感興趣的頻率范圍進(jìn)行仿真(此時(shí)無(wú)需自適應(yīng)網(wǎng)格剖分)。

第六步:后處理

根據(jù)求解器的類型和用戶的需求,HFSS可提供種類眾多的可視化結(jié)果,包括S參數(shù)、阻抗特性曲線、表面電流分布、空間場(chǎng)分布等等。

總的來(lái)說(shuō),與CST相比,HFSS在仿真精度和能力方面具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì),但在軟件設(shè)計(jì)方面還有很大差距,幫助針對(duì)性不強(qiáng)、選項(xiàng)設(shè)置過(guò)多、操作設(shè)置過(guò)繁,因此HFSS總是讓人“愛(ài)橫交織”。對(duì)于初學(xué)者,建議先以熟悉HFSS操作為主(按照官方教程反復(fù)操作),然后再開(kāi)始仿真學(xué)習(xí)。

(3) 技巧討論

做過(guò)電磁仿真的人都有體會(huì),電磁仿真有相當(dāng)部分時(shí)間是用在建模上面的。因此有必要熟悉軟件的快捷鍵,在提高工作效率的同時(shí),體會(huì)軟件操作的快感,HFSS建模時(shí)常用的快捷鍵如下

HFSS提供的邊界條件高達(dá)數(shù)十種,其實(shí)經(jīng)常用的也就三種,一是理想導(dǎo)電/導(dǎo)磁邊界,二是開(kāi)放邊界,三是集總加載邊界,分別如下圖所示

關(guān)于外加激勵(lì),設(shè)置最為復(fù)雜的當(dāng)屬波導(dǎo)端口激勵(lì),一方面需要考慮激勵(lì)面積大小,另一方面需要考慮模式分布,而且當(dāng)求解模式不同時(shí),波導(dǎo)的參考阻抗設(shè)置也有不同,這個(gè)大家要多多參考HFSS的官方教程和文檔。

最后,關(guān)于掃頻的三個(gè)選項(xiàng):快速、離散和插值,其實(shí)就是仿真效率和精度的權(quán)衡,如果工程仿真時(shí)間很短,建議全部采用離散頻率掃描(真實(shí)仿真結(jié)果);否則,則根據(jù)具體情況擇優(yōu)選擇快速或插值。

注:為方便大家學(xué)習(xí),本人特意將前期HFSS相關(guān)學(xué)習(xí)資料收集整理,主要包括PPT、教材、文檔以及項(xiàng)目工程文件等(共計(jì)307 M),如果大家對(duì)該資料感興趣,可聯(lián)系useful2you(微信)或關(guān)注公眾號(hào)useful4you索取。

參考文獻(xiàn):

[1] Kopp M. An Introduction to HFSS: Fundamental Principles, Concepts, and Use[J]. Ansoft, Pittsburgh, PA,, 2009, 77.

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