HFSS與MWS簡介及HFSS使用心得

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

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 意識到了自己的缺點,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個軟件各有所長,在業(yè)界每  隔一定時間就會有一次軟件比賽,看看誰的軟件算的快,算的準,在過去的時間里,CST和  ANSOFT成績相差不多;價格方面,2個軟件相差不多,大約在7~8萬美元的水平,且都有出  國培訓的安排。  值得注意的是,MWS采用的理論基礎是FDTD(有限時域差分方法),所以MWS的計算是由時  域得到頻域解,對于象濾波器,耦合器等主要關心帶內(nèi)參數(shù)的問題設計就非常適合;而HF  SS采用的理論基礎是有限元方法,是一種積分方法,其解是頻域的,所以HFSS是由頻域到  時域,對于設計各種輻射器及求本征模問題很擅長。當然,并不是說2個軟件在對方的領域  就一無是處。  由于Ansoft進入中國市場較早,所以目前國內(nèi)的HFSS使用者眾多,特別是在各大通信技術  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的Ansoft HFSS并非是傻瓜軟件,  對于絕大部分的問題來說,想要得到快速而準確的結果,必須人工作一定的干預。除了必  須十分明了模型細節(jié)外,建模者本身也最好具備一定的電磁理論基礎。  作者假定閱讀者使用過HFSS,因此對一些屬于基本操作方面的內(nèi)容并不提及。  2.1、對稱的使用  對于一個具體的高頻電磁場仿真問題,首先應該看看它是否可以采用對稱面。這里面的約  束主要在幾何對稱和激勵對稱要求。如果一個問題的激勵并不要求是可改變的,比如全部  同相饋電的陣列,此時最好采用對稱,甚至可以采用2個對稱(E和H對稱),將可以大大節(jié)  約時間和設備資源。 

 2.2、面的使用  在實際問題中,有很多結構是可以使用2維面來代替的,使用2維面的好處是可以極大的減  少計算量并且結果與使用3維實體相差無幾。例如計算一個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。再以計算偶極子為例,如果偶極子是以理想導體為材質(zhì)的圓柱,那么相同的其他  條件下其計算時間大約是采用等效面為偶極子的4~5倍,由此可見一般。 

 2.3、Lump Port(集中端口)的使用  在HFSS8里提供了一種新的激勵:Lump Port,這種激勵避免了建立一個同軸或者波導激勵  ,從而在一定程度上減輕了模型量,也減少了計算時間。Lump Port也可以使用一個面來代  表,要注意的是對該Port的校準線和阻抗線的設置一定要準確,端口在空間上一定要與其  他金屬(或電面)相接,否則結果極易出錯。 

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

2.5、關于開孔  有些問題需要在壁上開孔,此時可以采用2種辦法,其一是老老實實的在模型上挖空;其二  是采用H/Natrue邊界條件,通常,如果是在面上開孔,將會采用后者,簡單,便于修改。  

2.6、關于網(wǎng)格劃分  當模型建立好了之后,進入計算模塊,第一步是給問題劃分網(wǎng)格。對于一般問題,讓軟件  自動劃分比較省心,但對大型問題和復雜問題,讓軟件自己劃分可能需要很好的耐性來等  待。根據(jù)實際經(jīng)驗,在大型模型的結構密集區(qū)域或場敏感區(qū)域使用人工劃分可以得到很好  的效果,有些問題的計算結果開始表現(xiàn)為收斂,但進一步提高精度,卻又反彈,問題就在  于開始時場敏感區(qū)域的網(wǎng)格劃分不夠仔細,導致計算結果的偏差。  

2.7、關于所需要的精度  計算問題時,一般需要給定一個收斂精度和計算次數(shù)以避免程序“陷入計算而無法自拔”  ,當對模型熟悉后,可以單單靠給定次數(shù)。在問題之初,建議的計算精度不要太高,實際  中曾見到有操作者將問題的S參數(shù)精度設定為0.00001,其實這是完全沒有必要的,一般S參  數(shù)的精度設定為0.02左右就已經(jīng)可以滿足絕大部分問題的需要(此時應該注意有無收斂反  彈的情況)。如果是計算次數(shù),對于密閉問題,建議是設定為8~12次,對于輻射問題,一  般計算6~8次左右即可觀察結果,如果不夠再決定是否繼續(xù)計算。 

2.8、關于掃描  HFSS提供一個掃描功能,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頻  點的場結果,其計算時間是單個頻點計算時間之和;對快速掃描,將可以得到所計算的頻  率范圍內(nèi)的所有頻率場結果,但是其計算速度和頻點多少關系不大,基本和模型復雜程度  正比,有時掃描計算的時間非常長,如果不是特別需要關心所有的場情況,建議選用離散  掃描,對于特別巨大的問題,則是以快速掃描為宜。而插值方式比較少用。  

2.9、關于問題的規(guī)模  HFSS所能計算的問題規(guī)模與計算機硬件關系很大,其次是所使用的操作系統(tǒng)。在HFSS8里,  問題描述矩陣的階基本和網(wǎng)格數(shù)正比,對于四面體上10萬的問題也能游刃有余(只要機器  夠好),然而這并非是指實際問題的電尺寸,實際上,要精確計算一個計算機網(wǎng)絡電纜接  頭(RJ45)所需要的時間和資源并不比計算一個有一個波長電尺寸的一般輻射問題少多少  ,所以實際上其計算規(guī)模的主要約束是問題的復雜程度,而復雜程度里面包含了電尺寸、  結構復雜度等要素。  由此提醒我們建模時應該盡量簡化模型。一般來說,除了在激勵區(qū),當結構電尺寸比二十  分之一波長還小時,可以忽略它的存在而不會引入明顯的誤差,這一點在解決問題之初很  有效,可以迅速發(fā)現(xiàn)問題的關鍵;當問題的主要要求滿足后,再將模型細化以獲得更加精  確的結果。  以上就HFSS使用的各個方面總結了一些心得,以供大家參考,如有不當之處,請指

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