【原創(chuàng)教程】HFSS頻域電磁仿真快速入門（附307M學習資料）

2017-04-22  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

前言:這個教程是在本人2014年在德國留學時給研究生上電磁計算課時準備的,簡要介紹了HFSS的仿真基礎、流程和技巧,此處重新整理,供大家參考。

同介紹CST一樣,先來講講有關HFSS的小故事:HFSS全稱 high frequency structural simulator,其創(chuàng)始人是卡內基梅隆大學(Carnegie Mellon University)大學教授Prof. Zoltan J. Cendes,他在加拿大麥吉爾大學(McGill University)念的碩士和博士,重點研究基于有限元的電磁計算。1973年博士畢業(yè)后,他入職美國紐約通用公司,干了六年后回到母校麥吉爾大學當副教授,1982年轉到卡內基梅隆大學擔任教授,1984年創(chuàng)立了Ansoft公司(Analysis Software簡稱)。1988年,鼎鼎有名的惠普公司(HP, Hewlett-Packard Corporation)找到他們進行合作,簽訂合同,要求Ansoft負責開發(fā)出一款電磁仿真軟件,即HFSS,產品成熟后轉交HP進行銷售,Ansoft公司從中獲得版權收益(注此時Ansoft公司很小很小,市場份額幾乎為零,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HFSS屬HP)。1999年,安捷倫(Agilent)從HP公司分離,HP-HFSS相應變?yōu)?strong>Agilent-HFSS。2001年,Ansoft公司又從Agilent手中成功收購會HFSS,改名Ansoft-HFSS。2006年,Ansys公司又成功收購Ansoft公司(8.32億美元),改名Ansys-HFSS,這就是大家現在經常用到的HFSS的前世今生(國內簡稱HFSS為海飛絲)。

(1) 仿真基礎

HFSS作為世界上第一款商業(yè)化的三維結構電磁場仿真軟件,被公認為三維電磁場設計和分析的工業(yè)標準,評價和地位非常之高。創(chuàng)始人Prof. Zoltan J. Cendes在2014年的一次訪談中指出,HFSS的先進性主要得益于兩點,一是高效的自動有限元網格生成,二是精確的有限元近似求解。

一個典型的HFSS仿真過程可表示如下[1]。

首先是對仿真目標進行幾何建模,然后進行網格剖分,再通過有限元精確求解得到電場分布,最后進行后處理,得到有用的頻域響應。從數值計算角度來說,對目標進行網格剖分越密集,求解精度越高,但與此同時,計算量也隨之顯著增加,為此HFSS引入自適應網格剖分技術,如下圖所示[1],

首先程序會對仿真目標進行一個粗略的網格剖分(大量的小四面體),并進行有限元近似求解,同時計算出每個剖分單元的近似誤差(因為對電場是近似求解),然后計算出目標頻率響應(例如S參數)。按道理說,結果已經得到,仿真就可以結束了,但是HFSS說不行!還要進一步驗證當前仿真的精度,為此HFSS選擇那些近似誤差較大的剖分單元進行加密,然后重新仿真計算,再次得到新的目標頻率響應,并與上次的仿真結果進行對比,如果兩者結果相差較大(例如相對誤差大于2%),說明上次網格剖分質量還有待提高,因此需要加密網格剖分,繼續(xù)驗證對比,直到仿真結果趨向一致,這就是所謂的自適應網格剖分技術。

關于有限元算法的原理和實現,難度較大,不推薦大家深入學習,只需要簡單了解一些基本的知識即可,比如有限元是從矢量亥姆赫茲方程出發(fā),對電場進行基函數分解,然后在進行三維體積分,得到目標矩陣方程,如下所示

特別的,有限元學習時要與矩量法的原理進行區(qū)分,矩量法是基于面剖分,對表面電流進行基函數分解,然后再進行面積分得到目標矩陣方程。由于基函數選取和目標方程不同,有限元法在處理電大問題上具有顯著優(yōu)勢。

最后,簡單介紹一下HFSS在求解器分類,按照官網給出的建議,HFSS三類求解器應用場合如下

但實際上,除了本征模求解器應用場合比較明確以外,模式驅動(Driven Model)和終端驅動(Driven Terminal)的應用一直容易讓用戶產生疑惑,這里不做過多討論,建議大家參考官方給出的例子進行操作,不要過多糾結(如果實在想搞清楚,建議從算法實現層面去探究)。

(2) 操作流程

HFSS在軟件設計上采用了經典的樹型導航,其界面主要包括菜單工具欄、項目管理欄、屬性窗、消息窗、進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、設置求解、掃描頻率和后處理六個步驟。

第一步:建立模型

根據仿真目標的幾何屬性和材料特性,選擇Modeler->Units設置單位,再在工具欄中選擇對應幾何物理進行建模,可選擇參數化建模(Local Variable,在Design Properties中可以查看)。

第二步:定義邊界

HFSS仿真時一般需要畫一個空氣盒子,把仿真目標全部包含在內,然后再在空氣盒子的外表面設置輻射邊間(或吸波邊界)。這是因為HFSS仿真背景空間默認為PEC邊界!對于仿真目標,則根據具體需求設置對應邊界。

第三步:施加激勵

除本征模分析以外,其它頻域仿真都需要外加激勵(空間場/波端口/集總端口),特別在應用波端口激勵時,需要定義積分線(方便定義模式和等效電壓),當求解模式為終端驅動時,還需要注意參考地的設置。

第四步:設置求解

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置)和工作頻點(用于網格剖分,可設置為最高頻點),并定義仿真結束條件(最大仿真次數和誤差標準),然后以此為基準開展自適應網格剖分和迭代求解。

第五步:掃描頻率

仿真啟動后,HFSS首先在工作頻點處開展仿真,得到滿足要求的高質量網格剖分,然后以此網格剖分為標準對用戶感興趣的頻率范圍進行仿真(此時無需自適應網格剖分)。

第六步:后處理

根據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果,包括S參數、阻抗特性曲線、表面電流分布、空間場分布等等。

總的來說,與CST相比,HFSS在仿真精度和能力方面具有絕對的優(yōu)勢,但在軟件設計方面還有很大差距,幫助針對性不強、選項設置過多、操作設置過繁,因此HFSS總是讓人“愛橫交織”。對于初學者,建議先以熟悉HFSS操作為主(按照官方教程反復操作),然后再開始仿真學習。

(3) 技巧討論

做過電磁仿真的人都有體會,電磁仿真有相當部分時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,體會軟件操作的快感,HFSS建模時常用的快捷鍵如下

HFSS提供的邊界條件高達數十種,其實經常用的也就三種,一是理想導電/導磁邊界,二是開放邊界,三是集總加載邊界,分別如下圖所示

關于外加激勵,設置最為復雜的當屬波導端口激勵,一方面需要考慮激勵面積大小,另一方面需要考慮模式分布,而且當求解模式不同時,波導的參考阻抗設置也有不同,這個大家要多多參考HFSS的官方教程和文檔。

最后,關于掃頻的三個選項:快速、離散和插值,其實就是仿真效率和精度的權衡,如果工程仿真時間很短,建議全部采用離散頻率掃描(真實仿真結果);否則,則根據具體情況擇優(yōu)選擇快速或插值。

注:為方便大家學習,本人特意將前期HFSS相關學習資料收集整理,主要包括PPT、教材、文檔以及項目工程文件等(共計307 M),如果大家對該資料感興趣,可聯系useful2you(微信)或關注公眾號useful4you索取。

參考文獻:

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

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