【原创教程】HFSS频域电磁仿真快速入门（附307M学习资料）

2017-04-22  by:CAE仿真在线  来源:互联网

前言:这个教程是在本人2014年在德国留学时给研究生上电磁计算课时准备的,简要介绍了HFSS的仿真基础、流程和技巧,此处重新整理,供大家参考。

同介绍CST一样,先来讲讲有关HFSS的小故事:HFSS全称 high frequency structural simulator,其创始人是卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)大学教授Prof. Zoltan J. Cendes,他在加拿大麦吉尔大学(McGill University)念的硕士和博士,重点研究基于有限元的电磁计算。1973年博士毕业后,他入职美国纽约通用公司,干了六年后回到母校麦吉尔大学当副教授,1982年转到卡内基梅隆大学担任教授,1984年创立了Ansoft公司(Analysis Software简称)。1988年,鼎鼎有名的惠普公司(HP, Hewlett-Packard Corporation)找到他们进行合作,签订合同,要求Ansoft负责开发出一款电磁仿真软件,即HFSS,产品成熟后转交HP进行销售,Ansoft公司从中获得版权收益(注此时Ansoft公司很小很小,市场份额几乎为零,此举极有利于公司发展壮大)。1990年,HP-HFSS正式发布(注此时HFSS属HP)。1999年,安捷伦(Agilent)从HP公司分离,HP-HFSS相应变为Agilent-HFSS。2001年,Ansoft公司又从Agilent手中成功收购会HFSS,改名Ansoft-HFSS。2006年,Ansys公司又成功收购Ansoft公司(8.32亿美元),改名Ansys-HFSS,这就是大家现在经常用到的HFSS的前世今生(国内简称HFSS为海飞丝)。

(1) 仿真基础

HFSS作为世界上第一款商业化的三维结构电磁场仿真软件,被公认为三维电磁场设计和分析的工业标准,评价和地位非常之高。创始人Prof. Zoltan J. Cendes在2014年的一次访谈中指出,HFSS的先进性主要得益于两点,一是高效的自动有限元网格生成,二是精确的有限元近似求解。

一个典型的HFSS仿真过程可表示如下[1]。

首先是对仿真目标进行几何建模,然后进行网格剖分,再通过有限元精确求解得到电场分布,最后进行后处理,得到有用的频域响应。从数值计算角度来说,对目标进行网格剖分越密集,求解精度越高,但与此同时,计算量也随之显著增加,为此HFSS引入自适应网格剖分技术,如下图所示[1],

首先程序会对仿真目标进行一个粗略的网格剖分(大量的小四面体),并进行有限元近似求解,同时计算出每个剖分单元的近似误差(因为对电场是近似求解),然后计算出目标频率响应(例如S参数)。按道理说,结果已经得到,仿真就可以结束了,但是HFSS说不行!还要进一步验证当前仿真的精度,为此HFSS选择那些近似误差较大的剖分单元进行加密,然后重新仿真计算,再次得到新的目标频率响应,并与上次的仿真结果进行对比,如果两者结果相差较大(例如相对误差大于2%),说明上次网格剖分质量还有待提高,因此需要加密网格剖分,继续验证对比,直到仿真结果趋向一致,这就是所谓的自适应网格剖分技术。

关于有限元算法的原理和实现,难度较大,不推荐大家深入学习,只需要简单了解一些基本的知识即可,比如有限元是从矢量亥姆赫兹方程出发,对电场进行基函数分解,然后在进行三维体积分,得到目标矩阵方程,如下所示

特别的,有限元学习时要与矩量法的原理进行区分,矩量法是基于面剖分,对表面电流进行基函数分解,然后再进行面积分得到目标矩阵方程。由于基函数选取和目标方程不同,有限元法在处理电大问题上具有显著优势。

最后,简单介绍一下HFSS在求解器分类,按照官网给出的建议,HFSS三类求解器应用场合如下

但实际上,除了本征模求解器应用场合比较明确以外,模式驱动(Driven Model)和终端驱动(Driven Terminal)的应用一直容易让用户产生疑惑,这里不做过多讨论,建议大家参考官方给出的例子进行操作,不要过多纠结(如果实在想搞清楚,建议从算法实现层面去探究)。

(2) 操作流程

HFSS在软件设计上采用了经典的树型导航,其界面主要包括菜单工具栏、项目管理栏、属性窗、消息窗、进度窗以及建模视图窗。

HFSS仿真主要包括建立模型、定义边界、施加激励、设置求解、扫描频率和后处理六个步骤。

第一步:建立模型

根据仿真目标的几何属性和材料特性,选择Modeler->Units设置单位,再在工具栏中选择对应几何物理进行建模,可选择参数化建模(Local Variable,在Design Properties中可以查看)。

第二步:定义边界

HFSS仿真时一般需要画一个空气盒子,把仿真目标全部包含在内,然后再在空气盒子的外表面设置辐射边间(或吸波边界)。这是因为HFSS仿真背景空间默认为PEC边界!对于仿真目标,则根据具体需求设置对应边界。

第三步:施加激励

除本征模分析以外,其它频域仿真都需要外加激励(空间场/波端口/集总端口),特别在应用波端口激励时,需要定义积分线(方便定义模式和等效电压),当求解模式为终端驱动时,还需要注意参考地的设置。

第四步:设置求解

仿真前需要由用户指定求解器工作模式(也可在第一步建模前设置)和工作频点(用于网格剖分,可设置为最高频点),并定义仿真结束条件(最大仿真次数和误差标准),然后以此为基准开展自适应网格剖分和迭代求解。

第五步:扫描频率

仿真启动后,HFSS首先在工作频点处开展仿真,得到满足要求的高质量网格剖分,然后以此网格剖分为标准对用户感兴趣的频率范围进行仿真(此时无需自适应网格剖分)。

第六步:后处理

根据求解器的类型和用户的需求,HFSS可提供种类众多的可视化结果,包括S参数、阻抗特性曲线、表面电流分布、空间场分布等等。

总的来说,与CST相比,HFSS在仿真精度和能力方面具有绝对的优势,但在软件设计方面还有很大差距,帮助针对性不强、选项设置过多、操作设置过繁,因此HFSS总是让人“爱横交织”。对于初学者,建议先以熟悉HFSS操作为主(按照官方教程反复操作),然后再开始仿真学习。

(3) 技巧讨论

做过电磁仿真的人都有体会,电磁仿真有相当部分时间是用在建模上面的。因此有必要熟悉软件的快捷键,在提高工作效率的同时,体会软件操作的快感,HFSS建模时常用的快捷键如下

HFSS提供的边界条件高达数十种,其实经常用的也就三种,一是理想导电/导磁边界,二是开放边界,三是集总加载边界,分别如下图所示

关于外加激励,设置最为复杂的当属波导端口激励,一方面需要考虑激励面积大小,另一方面需要考虑模式分布,而且当求解模式不同时,波导的参考阻抗设置也有不同,这个大家要多多参考HFSS的官方教程和文档。

最后,关于扫频的三个选项:快速、离散和插值,其实就是仿真效率和精度的权衡,如果工程仿真时间很短,建议全部采用离散频率扫描(真实仿真结果);否则,则根据具体情况择优选择快速或插值。

注:为方便大家学习,本人特意将前期HFSS相关学习资料收集整理,主要包括PPT、教材、文档以及项目工程文件等(共计307 M),如果大家对该资料感兴趣,可联系useful2you(微信)或关注公众号useful4you索取。

参考文献:

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

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