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第八章 HFSS微波仿真
8-1 HFSS基本介绍
一、 HFSS发展历程
二、 HFSS仿真原理
三、 HFSS仿真过程
四、 HFSS的主要功能
五、 HFSS的应用领域
8-2 HFSS软件系统
一、软件设计环境
二、基本操作
8-1 HFSS基本介绍
一、 HFSS发展历程
HFSS–High Frequency Structure Simulator（高频电磁
场仿真）软件由美国Ansoft公司开发的世界上第一个商业
化的三维结构电磁场仿真软件，是目前国际上主流的三维
高频电磁场仿真软件之一。HFSS是一种基于物理原型的
EDA设计软件。
HFSS8.0中增加了以下主要功能：模式到节点的转换；
端对端的节点模型产生、求解及后处理；可输出高精度宽
带SPICE模型；全波Spice（Full-Wave Spice）；自适应插值
扫频算法；支持集总电阻、电容和电感部件。
8-1 HFSS基本介绍
2003年5月Ansoft 公司发布了HFSS的最新版本V9，
v9.2是基于物理原型的EDA设计软件。依靠其对电磁场精
确分析的性能，使您能够轻松建立产品虚拟样机。
Ansoft HFSS v9.2最重要的新功能就是在PC机上能够
利用3GB的内存空间，这极有效地拓展了HFSS的仿真计算
能力，此外运用HFSS v9.2的用户自定义编程模块（UDP）
能 方 便 建 立 各 种 模 型 及 元 件 库 。 同 时 ， 具 备 与 Ansoft
Designer、Nexxim动态链接的特性：通过动态参数化链接，
在RF/数模混合电路仿真中实现与三维电磁场的协同仿真。
8-1 HFSS基本介绍
2005年8月Ansoft公司在美国发布HFSS v10。最新版
HFSS v10强化了与CAD工具和其他分析工具之间的配合。
CAD模型有时会出现微小的段差和坐标误差，这种误差使
得HFSS以前的版本有时无法使用该模型。
HFSS v10新增了一种功能，即具有能够消除微小段差
和坐标误差影响的功能，能够直接使用绝大多数CAD模型。
Ansoft将其称为“Healing功能”。所以即使CAD模型有时
会出现微小的段差和坐标误差，HFSS v10也能将其分割成
最佳的微小网格后，进行电磁场分析。另一点就是：HFSS
v10与SIwave v3进行协作分析的示例，能够看到车身内部
的印刷电路板产生的不必要辐射的活动情况。
8-1 HFSS基本介绍
二、 HFSS仿真原理
HFSS采用的理论基础是有限元方法。有限元法是一种积分
方法，其解是频域的，所以HFSS是由频域到时域，对于设计各
种辐射器及求本征模问题很擅长。HFSS应用切向矢量有限元法。
所谓的有限元法，就是将整个区域分割成许多很小的子区
域，这些子区域通常称为“单元”或“有限元”，将求解边界
问题的原理应用于这些子区域中，求解每个小区域，通过选取
恰当的尝试函数，使得对每一个单元的计算变得非常简单，经
过对每个单元进行重复而简单的计算，再将其结果总和起来，
便可以得到用整体矩阵表达的整个区域的解，这一整体矩阵又
常常是稀疏矩阵，可以更进一步简化和加快求解过程。
8-1 HFSS基本介绍
三、 HFSS仿真过程
HFSS仿真过程图
8-1 HFSS基本介绍
四、 HFSS的主要功能
1. 提供了一个基于三维电磁场的自动化设计流程的设计平台。
2. 集成了工程设计所必需的强大的参数化设计、优化、敏感性及公差
统计仿真分析功能。
3. 新一代仿真工具赋予了更灵活的网格剖分、收敛精度及仿真分析控
制等功能，从而具有更快的仿真速度和更高的设计精度。
4. 其参数化设计、强大的建模及图形功能使工程仿真设计变得十分方
便。
5. 电磁场与系统电路集成协同仿真设计能力。
8-1 HFSS基本介绍
HFSS设计的新特点
精确
快速
方便易用
工程实用—参数化扫描、优化设计、敏感性分析、公差
统计
5. 电磁场与系统、电路集成协同仿真设计
1.
2.
3.
4.
8-1 HFSS基本介绍
五、 HFSS的应用领域
1. 射频和微波器件设计
对于任意三维高频微波器件，如波导、滤波器、耦合
器、连接器、铁氧体器件和谐振腔等，HFSS都能提供工
具实现S参数提取、产品调试及优化，最终达到制造要求。
2. 天线、阵列天线和馈源设计
HFSS是设计、优化和预测天线性能的有效工具。从简
单的单极子天线到复杂雷达屏蔽系统及任意馈电网络HFSS
都能精确地预测其电磁性能，包括辐射向图、波瓣宽度、
内部电磁场分布等。
8-1 HFSS基本介绍
T形波导结构内部电磁场显示
非均匀螺旋天线的模型分析
8-1 HFSS基本介绍
3. 高频IC设计
随着集成电路芯片进入纳米范围，工作频率增强、尺
寸减小都导致片上互连结构寄生参数对芯片电路性能产生巨
大影响。MMIC、RFIC和高速数字IC的设计要求准确表征并
整合这种影响，这些都要求提取其准确的宽带电磁特性，
HFSS是唯一能自动、快速实现这一功能的软件。
4. 高速封装设计
快速上升的IC引脚伴随着IC芯片及封装的微型化发展
趋势，IC封装中的信号传输路径对整个系统电性能的影响
越来越严重，必须有效区分和协调这种高速封装影响。
HFSS提供的S参数和宽带SPICE电路模型，使IC、封装和
PCB设计者能在制造和测试之前准确预测系统工作性能。
8-1 HFSS基本介绍
高Q螺旋电感器的设计分析
高速封装的电磁特性分析
8-1 HFSS基本介绍
5. 高速PCB板和RF PCB板设计
由于PCB工作频率及速度的不断提高，致使板上信
号线、过孔等结构的等效电尺寸增加，从而产生更强的
耦合、辐射等电磁效应。HFSS让PCB设计者明确、诊断、
排除这些影响，无论是过孔、信号线，还是PCB板边缘或
者同轴连接器等各种结构，HFSS都能确定其电磁效应，
完成自动化设计、优化从而使产品达到更高性能。
8-1 HFSS基本介绍
高速PCB板及背板的设计
8-2 HFSS软件系统
HFSS软件是由美国Ansoft公司开发，是三维电磁场仿
真软件。它应用切向矢量有限元法，可求解任意三维射频、
微波器件的电磁场分布，计算由于材料和辐射带来的损耗。
可直接得到特征阻抗、传播系数、S参数及电磁场、辐射
场、天线方向图、特定吸收率等结果。广泛应用于天线、
馈线、滤波器、多工器、功分器、环行器、光电器件、隔
离器的设计和电磁兼容、电磁干扰，天线布局和互耦等问
题的计算。
目前实验所用的HFSS软件为10.0版本，软件介绍以此
版本为准。
8-2 HFSS软件系统
一、软件设计环境
8-2 HFSS软件系统
1. 主菜单与工具条
主菜单在软件主窗口的顶部，包括File、Edit、Project
等下拉菜单。
工具条在主菜单的下一行，是一些常用设置的图标。
2. 工程树
工程树包括所有打开的HFSS工程文件，每个工程文件
一般包括几何模型、模型的边界条件、材料定义、场的求
解、后处理信息等。工程树中第一个节点是工程的名称，
默认名一般为Projectn，n代表当前打开的第n个工程。
8-2 HFSS软件系统
导入HFSS设计后，其下加入HFSSModeln节点，n代表
当前加入的第n个设计，在该节点下包括模型的所有特定数
据。包括：
Model：建立的模型。
Boundaries：边界条件。定义在问题区以及物体表面
的边沿处的场特性，包括良导体表面、阻抗表面、辐射表
面、主表面、从表面、集总元件表面等。
Excitations： 激励源。定义某物体或表面的电磁场的
源以及电荷、电流、电压等情况，包括端口、集总端口、
入射端口、电压源、电流源等。
8-2 HFSS软件系统
Mesh Operation：网格设置。定义网格的划分，即网格晶元。
Analysis：分析。包括求解设置，定义软件如何计算求解。
Optimetrics：优化。包括所有优化设置。
Results：结果。包括所有后处理生成的结果报告。
Port Field Display：显示模型的端口场分布。
Field Overlays：显示某物体、表面的基本或衍生的场分布
情况。
Radiation：设置近场、远场。
8-2 HFSS软件系统
3.绘图历史树、绘图窗
绘图历史树包括绘制的所有的几何模型，以及模型的
编辑、材料定义等。
绘图历史树右侧是绘图窗，在该区绘制几何模型。
4. 属性窗
属性窗显示在工程树、绘图历史树或绘图区中选中的
某一项的属性，可以进行编辑。在属性窗中可编辑的参数
是不定的，其标签页的名称也不定，均由所选中的项的类
型决定。
8-2 HFSS软件系统
5. 信息窗
信息窗显示与工程创建过程相关的各种信息，例如工
程设置的错误信息、分析过程的设置信息等。
6. 进程窗
进程窗在执行仿真时，监视仿真的进度，仿真的每一
步都有显示。
8-2 HFSS软件系统
二、基本操作
1．创建工程
从主菜单选File\New，创建一个新工程;再选File\Save
As，则以此路径、名称保存该工程。工程文件以*.hfss保存。
2．模型视图
模型视图有多种，包括移动、旋转、放大、缩小等。
移动：由主菜单选View\Pan，或者按下Shift键同时点鼠
标左键移动鼠标，可以移动模型。
8-2 HFSS软件系统
旋转：由主菜单选View\Rotate，或者按下Alt键的同时
点鼠标左键移动鼠标，可以旋转模型。
缩 放 ： 由 主 菜 单 选 View\Zoom ， 或 者 同 时 按 下 Alt 、
Shift键，点左键移动鼠标可以放大、缩小模型。向上移是
放大视图，向下移是缩小视图。
适中显示：同时按下Ctrl、D键，可以将模型适中示。
其他操作还有Zoom In、Zoom Out等。
8-2 HFSS软件系统
3．复制、粘贴
由主菜单选Edit\Copy To Clipboard，可将模型粘贴到剪
贴板，再粘贴到Word、PowerPoint等基于Windows的程序中,
此操作也可复制工程的分析结果图。
4．各种HFSS文件
一个*.hfss文件包含所有与工程相关的文件。常见的文件
及文件夹类型包括：
design_name.hfssresults：文件夹，保存设计的结果数据。
project_name.hfssresults：文件夹，保存工程的结果数据。
Project_name.asol：文件，保存工程的场数据结果。如果
求解不合适，则该文件可能为空。保存在project_name. hfss
results文件夹内。
8-2 HFSS软件系统
.pjt：HFSS软件8.5以及更早版本的工程文件。
.anfp：Ansoft的PCB中性文件。
5．导出文件
由主菜单选3D Model\Export，选择保存路径、命名，
将“保存类型”下拉列展开，选择要导出的文件类型即可。
*.sm2：二维模型文件，只包含XY平面。
*.sat或*.sm3三维模型文件，前者为ACIS几何固态模
型文件，后者为在ACIS2.0版或更高版本中的HFSS三维模
型文件。如果选择*.sm3，则还要选择ACIS SM3的版本。
图表文件：包括*.bmp，*.gif，*.jpeg，*.tiff，*.wrl等格
式。
8-2 HFSS软件系统
数据列表文件：*.txt为后处理格式文件，*.csv为逗号
分隔文件，*.tab为Tab键分隔文件，*.dat为曲线数据文件。
方法：分析出结果后，由主菜单选Report2D\Export，选择
保存路径、命名，将Save as type下拉列展开，选择要导出
的文件类型即可。
6．导出矩阵数据
在工程树的Anlysis\setupn项上，点右键，选择Matrix
Data，出现Solution Data窗，默认Matrix Data标签页。选
择 想 要 查 看 的 矩 阵 类 型 ， 包 括 S-matrix ， Y-matrix ， Zmatrix，Gamma，Zo等参数，点Export。
8-2 HFSS软件系统
在弹出的新窗口，选择保存路径、命名，将“保存类
型”下拉列展开，选择要导出的文件类型即可。包括：
*.tab：数据列表文件。将S矩阵的各项按顺序列出，
包括数据头，以Tab键隔开。
*.sNp：TouchstoneS参数文件。后缀名中的N代表有N
个端口。
*.nmf：中性文件名。
*.m：Matlab文件。SYZ矩阵的各项按顺序列出。
*.cit：Citifile格式文件。
8-2 HFSS软件系统
7．导入文件
有 主 菜 单 选 3D Modeler\Import ， 选 择 查 找 路 径 ， 将
“文件类型”下拉列展开，选择要导出的文件类型，选择
要导入的文件名即可。
*.gds：二维几何设计布局数据的标准文件格式。
*.dxf：AutoCAD绘图交换格式文件。
*.geo：HFSS固态模型文件。
*.iges，*.igs：初始图形交换规格(IGES)的工业标准文件。
同样，也可导入求解数据、数据列表等，方法略。
软件的其他使用说明请查看软件自身的帮助文件：
hfss.chm。