HFSSANTGuide.docx

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HFSSANTGuide

Note:

本指导翻译自Ansoft公司英文手册

AnsoftHighFrequencyStructureSimulator

开始：

天线问题

欢迎：

这本手册是用来指导利用HFSS80来成立仿真问题，HFSS80是用来计算某个结构高频电磁场行为的一个软件包。

一、介绍

AnsoftHFSS是用来计算某个结构的高频电磁场的交互式软件包，那个仿真器还包括后处置命令，用来更详细的分析该结构的电磁场行为。

利用HFSS，你能够用来计算：

★关于开放边界问题，辐射近场和远场，计算大体的电磁场量；

★端口特性阻抗和传播常数；

★广义S参数和对具体端口阻抗归一化的S参数；

★某一结构的本征模，谐振频率；

你需要自己画出结构，为每一个物体概念材料特性，概念端口，源，或特殊表面特性。

系统接下来会产生相应的场解。

当你成立问题后，AnsoftHFSS许诺在一个特殊的频点上解决问题或在一个频率域上解决问题。

AnsoftHFSS在安装XWINDOWS的UNIX工作站上和利用WinNT和Win2000的PC上都能够运行。

样例：

本书描述如何对一个双模喇叭天线进行建模，求解，和分析。

双模喇叭天线由两个圆柱体组成，中间是一个角锥形的部份。

角锥部份从第一个圆柱体的半径慢慢向第二个圆柱体的半径延伸。

在半径改变的部份，TE11模向TM11转变。

那个问题在下面的文章中有描述和分析。

“.Turrin,“DualModeSmall-ApertureAntennas,”IEEETransactionsonAntennasandPropagation,March1967.“

那个问题的一样几何尺寸显示如下，具体的尺寸在第四章给出。

由于问题的对称性，仅仅需要画一半的几何图形。

需要查验的结果：

在完成天线问题建模和生成解后，还必需：

★计算喇叭天线的VSWR；

★画出天线的远区场模式；

★创建电场幅度的动态鼓励图。

创建天线工程

假设AnsoftHFSS已经安装完成。

本章目的：

★创建保留样例的工程目录；

★在该目录中创建一个新的项目，该目录用来保留天线问题。

进入项目治理器（ProjectManager）

要进入AnsoftHFSS，第一必需进入MaxwellControlPanel，如此才能对所有Ansoft创建和打开项目。

进入ProjectManager：

1．进入MaxwellControlPanel的步骤：

★关于PC，双击MAXWELL的图标即可，MaxwellControlPanel显示如下：

2．点击上图的Project按钮，进入ProjectManager。

ProjectManager显示如下：

创建一个项目目录

利用HFSS解决问题的第一步是创建一个目录和项目，用来保留和问题相关的所有数据。

一个项目目录包括用Ansoft创建的特定的项目。

能够利用项目目录来对项目进行归类。

下面将在一个缺省的目录中创建一个项目目录。

ProjectManager仍然在屏幕上能够看到。

此刻为你所创建的HFSS项目增加GETSTART目录。

Note：

若是你已经成立了一个项目目录，直接跳到“创建项目“部份。

★为样例增加一个项目目录：

1．在ProjectDirectories窗口的左下角选中add。

显现以下窗口：

2．在alias域输入getstart

3．选中MakeNewDrectory；

4．选中OK。

如此，在当前的缺省工程目录下创建了一个目录GETSTART。

此刻GETSTART出此刻ProjectS框中，你此刻返回到PorjectManager窗口。

Note：

AnsoftHFSS工程通常在那些有别名的目录中被创建，即：

利用add命令创建的工程目录。

改变目录的步骤：

1．从ProjectDirectories框选择ChangeDir.

2．在向要的目录上双击鼠标左键；

3．做完后，点击OK。

若是需要了解其他ProjectManager功能，能够看MaxwellControlPanel的在线帮忙。

创建一个项目：

此刻能够在项目目录getstart中创建一个新的项目，名为horn。

进入项目目录（ProjectDirectory）

在创建新项目前，进入getstart项目目录。

★进入项目目录：

在projectManager的左下角选择getstart；

显示在ProjectManager菜单顶部的当前目录变成显示和别名getstart相联系的目录途径名。

若是你先前已经创建了一个模型，它将在Project框中列出。

不然，Projects框是空的---因为在项目目录中尚未创建任何项目。

增加新的项目：

★增加一个新的项目：

1．在菜单顶部左侧的Project框当选择new，显现如下的窗口：

2．在name域中输入horn。

3．要选择被创建的项目的类型，单击位于type域隔壁的按钮，会显现一个菜单，列出了所有购买的Ansoft软件包。

选中AnsoftHighFrequencyStructureSimulator8，让它作为项目类型。

4．可选项：

能够在createdby域中输入你的名字。

5．不要选择OPENProjectUPONCREATION。

若是选中了，那个选项会在你点击OK以后打开项目。

可是，此刻还不到打开项目的时候。

6．选择OK，创建项目。

适才输入的信息此刻出此刻SELECTEDProject框相应的位置，WRITABLE选中，表示你能够进入项目。

保留项目备忘录

保留新项目的备忘录是个好方法，如此下次利用AHFSS的时候不用打开项目就能够够看到信息。

★为HORN问题输入备忘

1．维持NOTES缺省的选择；

2．在NOTES选项下面的区域单击鼠标左键，显现光标显示，说明能够输入文本。

Note：

在NOTES区域，MODEL选项显示一个选中的模型的图形。

此刻是无效的，因为你正在创建一个新项目。

在你创建HORN问题后，若是选中HORN项目，那么它的几何尺寸将在那个区域缺省显示。

3．输入那个项目的备忘如下：

Thissampleantennaproblemwascreated

usingAnsoftHFSSandtheHFSSGetting

Startedguide.

4．能够选择SAVENOTES来保留你的输入，保留完毕后该按钮变灰。

此刻，你能够预备打开新项目，而且运行AnsoftHFSS了。

3运行AnsoftHFSS

在上一章创建了一个目录GETSTART，并在那个目录中创建了项目HORN。

本章描述：

★如何打开适才创建的项目，并运行AnsoftHFSS；

★利用AnsoftHFSSExecutiveCommands窗口。

★在AnsoftHFSS中创建一个天线问题的一样步骤。

★用来计算场解的样例和步骤

打开新项目和运行仿真器

应该在Project框当选中新建的项目HORN。

运行AnsoftHFSS：

★从ProjectS框当选择OPEN；

显现如下的ExecutiveCommands窗口。

阅读ExecutiveCommands窗口

ExecutiveCommands窗口说明了创建和解决模型问题的一条途径。

通过ExecutiveCommands菜单项选择择每一个模块，当你完成那个模块后又返回到那个窗口。

也能够通过那个窗口阅读解的进程。

ExecutiveCommands窗口分成两个部份：

命令区域和显示区域。

命令区域

命令区域位于屏幕左侧，包括那些用来概念所要解决的问题类型的彩旦，并能够用来挪用解决问题所需的各类不同的模块。

每一个命令的功能将在“画图和求解的一样步骤“那个部份说明。

显示区域

显示区域显示项目的几何模型。

因为你尚未创建模型的几何形式，因此此刻那个区域是空白的。

在显示区域窗口顶部有如下的按钮：

MODEL显示3D结构的几何模型，ZOOMIN，ZOOMOUT，FITALL，VISIBILITY和RENDER按钮只有当选中模型时才有效。

MATRIX可以用来浏览计算S参数，阻抗和传播常数的矩阵。

CONVERGENCE显示收敛信息。

PROFILE显示在解题工程中使用的源。

在窗口底部的按钮用来改变模型的视图：

ZOOMIN放大

ZOOMOUT缩小；

FITALL在视图窗口中看到整个模型；

VISIBILITY显示部分模型

RENDER显示渲染过的模型。

在解决问题时，那个区域也显示解的信息和收敛信息，详见第六章：

“生成解“。

画图和解题的一样步骤

★利用以下步骤来概念和解决问题：

1．选择解决器solver。

能够选用DRIVENSOLUTION的解题器，或EIGENMODESOLUTION的解题器。

2．利用DRAW命令来进入3DModeler，画出物体的几何模型。

3．利用SETUPMATERIALS命令来给3D物体分派材质特性。

4．利用SETUPBOUNDARIES/SOURCES命令来概念边界和源的位置。

5．利用SETUPSOLUTION命令来规定如何求解。

能够利用那个命令来：

■选择执行的解的类型——ADAPTIVE，NON-ADAPTIVE或扫频解（FREQUENCYSWEEPSOLUTION）

■输入解的准那么，比如频率（或扫频范围），端口解的准确度，解模式的数量等等。

■选择有限元网格来求解

6．利用SOLVE命令来求解与天线问题有关的场；

7．利用MATRIX，CONVERGENCE，和PROFILE按钮来阅读以下信息：

■在每一个适应解进程中的S参数，阻抗和传播常数；

■两个适应解中的S参数差值；

■CPU、内存利用的统计。

8．从POSTPROCESS菜单当选择以下的后处置

FIELDS进入3DPOSTPORCESSOR，这个可以显示轮廓，阴影，响亮，距离和场的动态图；

MATRIXDATA进入MATRIXDATAPOSTPROCESSOR，这个可以浏览用来计算S参数，阻抗和传播常数的矩阵。

MATRIXPLOT进入MATRIXPLOTPOSTPROCESSOR，这个可以时间或者频率为轴画出参数的变化。

这些命令必需依照上面的顺序依次选择。

比如，第一你必需用DRAW命令来创建一个几何模型，第二才能用SETUPMATERIALS命令来设置物体的材质特性。

当完成该步骤不时，一个√会出此刻这一步的菜单隔壁。

画几何模型

本章说明如何创建先前描述的喇叭天线的几何模型。

目标如下：

★成立问题区域；

★创建组成天线模型的对象；

★把模型保留为一系列磁盘文件。

此刻开始利用模拟器（SIMULATOR）。

此刻，ExecutiveCommands窗口应该仍然在屏幕上。

选择解决器

利用缺省设置：

DRIVENSOLUTION。

DRIVENSOLUTION

选择DRIVENSOLUTION以利用有限元方式来生成由源驱动的结构的解。

AnsoftHFSS计算无源高频结构比如微带线波导和传输线的S参数。

仿真器包括后处置命令来更详细的分析某个结构的电磁场行为。

利用DRIVENSOLUTION，能够计算：

●大体电磁场量，用于开放边界问题，辐射近场和远场；

●端口特性阻抗和传播常数；

●广义S参数和对具体端口阻抗归一化的S参数。

EIGENMODESOLUTION

选择EIGENMODESOLUTION来计算某一结构的本征模，或谐振频率。

本征模解决器能够求解结构的谐振频率和某些谐振频率点上的常量。

AnsoftHFSS本征模解决器能够求出有耗和无耗结构的本征模，和一个谐振腔的无载Q值。

Q是品质因数，用来衡量系统中的能量损失。

无载Q值是源于有耗材质的能量损失。

因为端口和其他源关于本征模问题是无效的，依照这些源计算出来的Q值是不包括损失的。

利用本征模解有如下限制：

●泄露不能计算；

●不能够概念如下边界条件：

■端口PORT

■入射波INCIDENTWAVE

■电压降VOLTAGEDROP

■电流CURRENT

■磁场偏置MAGNETICBIAS

■辐射RADIATION

●快速频率，插值和离散频率扫描不可用

●不可利用非线性材料

●MATRIXDATA和MATRIXAPLOT不可用，在EXECTUIVECOMMANDS窗口上的MATIRX按钮变成EIGENMODES按钮

开始3DModeler

利用3DModeler来画几何模型。

开始3DModeler后，显现四个明显的窗口，称为视图窗口。

其中三个窗口以2D形式来显示创建的模型，而第四个窗口以3D视角显示模型。

每一个窗口中的一个点显示模型中的位置，那个点在激活的窗口中闪烁。

能够通过在一个窗口中单击来在该窗口中画图。

你能够把光标移到窗口上，光标旁会显现字母，这确实是该窗口利用的坐标系统。

开始3DModeler：

1．从ExecutiveCommands菜单顶部选择DRAW，显现3DModeler的窗口。

2．你会从下面的窗口取得长度单位的提示：

从SELECTUNITS菜单项选择择CM；

3．选择OK同意选择CM作为那个问题的长度单位。

在ABSOLUTE/RELATIVES坐标菜单中显示了当前选择的长度单位。

3DModeler窗口分成如下几个部份：

边窗（SIDEWINDOW）

边窗位于3DModeler的左侧，或位于右边，称做SIDEWINDOW。

边窗能够用来改变坐标，或设置不同于缺省值的模型snap。

那个窗口还会显现许多命令区域。

snaps

GRID和VERTEXSNAPS利用缺省设定，而且已经激活。

★选择SNAP-TO行为：

1．从SNAP-TO按钮当选择OTHER，在座标域下会显现一个窗口；

2．选择你所期望的EDGESNAP，能够从以下列表当选择：

GRIDINTERS在GRID和轴相交的点上设置SNAP

EDGECENTER在边的中心点上设置SNAP

ARCCERTER在弧线中心设置SNAP

3．选择所要的FACESNAP，能够从以下列表当选择：

AXISINTERS。

在轴和物体面相交的点上设置FACESNAP

FACECENTER在物体表面的中心设置SNAP

4．选中OK，同意SNAP-TO行为的设置。

概念画图区域

包括模型的区域称为画图区域。

四个视图窗口提供了该区域的不同视角，刚开始时，这些窗口中只有显示坐标轴（因为尚未开始画图）。

画图时，需要激活一个窗口，并在那个窗口画图。

★激活需要在其中画图的窗口

●在左下角的窗口中单击（yz）。

能够看到光标旁有个小标签表示当前窗口的坐标系统。

那个窗口确实是用来绘制模型的窗口。

绝对和相对坐标

本指导利用绝对坐标系统。

若是设置了相对坐标系统，坐标系统从你概念的原点测量距离，而那个原点你能够改动。

若是设置了绝对坐标系统，它从系统概念的原点测量。

★在3DModeler窗口的左上能够看到ABSOLUTE/RELATIVE坐标的菜单。

确信绝对坐标系统已经被选中（它位于工具栏左侧的正下方）。

若是没有选中，能够从REL。

CM的下拉式菜单当选择ABSOLUTE就能够够了。

GRIDS（网格）

在绘制物体时，3DModeler利用网格设置来提供可视化帮忙。

那个地址网格点没有特殊的单元类型。

可是，能够设置网格点以给定数量的单元来显示。

缺省设置维持网格点相距30个象素，即便你放大或缩小，乃至开始时网格点相距20厘米。

此刻开始绘制物体的几何结构

绘制几何图形

本天线问题的几何结构包括两部份：

喇叭天线和辐射边界的虚拟物体。

端口能够用边界条件而不是用需要绘制的物理模型来仿真。

绘制喇叭天线

咱们绘制的第一个物体是喇叭天线。

在那个问题中利用了对称性，因此只需要画一半的天线。

因为那个喇叭天线的形状比较复杂，因此先创建一个喇叭天线的2D截面，然后让它绕Z轴旋转即可。

绘制2D截面

利用LINE/POLYLINE命令来绘制截面。

利用那个命令，能够选择一系列点和这些点相连的线段。

利用CLOSE选项，能够用线段构建一个2D物体。

2D截面的几何尺寸显示如下：

天线上半部份直的区域的长度为个波长，之因此选择那个长度是因为这是使TE11模和TM11模相对相位和幅度相适应的最小长度，如此，口径面上电场消失。

★绘制2D截面：

1．选择yz视角的窗口；

2．选择LINES/POLYLINE。

那个区域用来输入新的折线的名字或选择已经存在的折线。

3．在EDIT/CREATE区域输入HORN，单击OK。

此刻显现了输入那么折线的区域。

4．在左侧窗口的X，Y，Z坐标域中输入2D截面的每一个折点的坐标。

第一个点能够按以下步骤进行：

a．选中X域边上的复选框，激活X域，并许诺输入X坐标。

b．在X域中输入0；

c．去掉X域复选框的勾，如此在剩下的点中X的坐标一直是0。

d．在Y域中输入0；

e．在Z域中输入0；

如此咱们完成了第一个点（0，0，0）的坐标输入。

5．选择ENTER。

折线的第一个点就概念完了，并出此刻YZ视图窗口中。

Note：

缺省地，

6．输入以下坐标，每一个点完成后都要单击ENTER。

7．最后一个点输入完成后选择CLOSE关闭折线绘制。

它将在第一个点和最后一个点之间画一条折线。

8．单击COLOR边上的颜色按钮选择蓝色。

9．维持COVERED复选框的缺省值。

这使得截面形成一个2D的平面物体。

也能够利用FACES/COVERLINES命令来是折线形成一个平面物体。

10．选择DONE，完成2D截面的绘制。

注意此刻那个物体很小看不见。

11．选择VIEW/FITALL/ALLVIEWS（热键是f）放大物体，如此就能够够在窗口中看见了。

此刻预备选择那个2D物体来形成喇叭天线。

旋转2D截面

在完成2D截面绘制后，利用SOLIDS/SWEEP/AROUNDAXIS命令来使它围绕Z轴旋转。

★旋转截面

1．选择SOLIDS/SWEEP/AROUNDAXIS。

会显现以下消息，提示你那个2D物体将在旋转后被删除。

2．选择OK忽略警告。

显现能够旋转的2D物体的外形列表。

3．从PROFILES列表当选择Horn。

4．单击OK选择2D截面，在侧面的窗口中能够操纵绕轴旋转。

5．在SWEEPAXIS下选择Z，这表示旋转截面的轴。

6．在ANGLEOFSWEEP域输入180，这表示绕Z轴旋转180度。

因为要利用对称平面，因此仅仅需要那个喇叭天线的一半。

7．在NUMBEROFSTEPS域中输入12。

这和创建圆或圆柱利用的线段数相同。

利用线段或小平面能够逼近曲面，减少对系统的需求。

Note：

为了创建一个不是由线段或小平面逼近的真实表面，在NUMBEROFSTEPS域中输入0。

、

8．维持DRAFTANGLE的缺省置为0。

DRAFTANGLE表示当侧面外形旋转时，放大或缩小的角度。

9．输入ENTER。

截面绕轴旋转形成喇叭天线。

那个3D物体的名字和颜色与用来创建它的2D物体的名字和颜色一样。

喇叭天线如以下图。

注意那个喇叭天线有12个小曲面组成，相应于你适才在NUMBERSOFSTEPS中概念的数字。

保留图形

在建模时，常常存盘是一个好适应。

AnsoftHFSS可不能自动保留你的工作。

若是发生问题致使仿真器崩溃，常常存盘能够避免数据丢失，幸免重画几何模型。

存盘：

●选择FILE/SAVE，显现一个进度条指示系统进度，同时确认模型中没有重叠的物体。

在AnsoftHFSS确认没有重叠物体后，几何模型取得存盘。

Note：

若是你这时没有存盘，那么在第五章中的面元的数量统计会有略微的不同。

绘制辐射边界

为了分析辐射成效，必需创建透明辐射边界，而且足够远离辐射源。

为了达到那个目标，第一应创建一个虚拟物体，代表问题的扩展区域，接下来，利用SETUPBOUNDARIES/SOURCES命令指定辐射边界。

扩展问题的区域是必需的，因为，缺省地，系统利用器件的外部尺寸来决定问题区域——而不是显示在3DModeler中的网格区域尺寸。

假设对辐射成效没有爱好，那么能够利用缺省的问题区域——如此能够节省计算资源。

可是关于辐射问题，那么必需创建一个虚拟物体来明肯概念感爱好的区域（一样为远区区域）。

代表辐射边界的虚拟物体并非必然是球形。

可是，他们应该关于结构呈曲面突起。

？

为了节省计算资源，辐射边界的位置距离辐射源四分之一波长到一个波长。

关于那个问题，用喇叭天线结尾的一个长方体来代表辐射边界。

那个长方体长厘米，宽7厘米，高度为3厘米。

长度被砍掉一半是因为那个问题的对称性。

若是是满尺寸，长度应该是7厘米。

★绘制辐射边界：

1．选择SOLIDS/BOX来创建一个长方体。

输入长方体极点的控件位于左侧的窗口中。

2．激活X坐标域，输入0；

3．在Y坐标域输入；

4．在Z坐标域输入；

5．选中ENTER，设定长方体的极点。

3DModeler同意该设置，并将所输入的长方体的信息显示在左侧的窗口中。

6．在ENTERBOXSIZE下的X坐标域中输入；

7．在Y坐标域中输入7；

8．在Z坐标域中输入3；

9．在NAME域中输入abc。

给物体清楚的描述性的名字是很重要的，它能够用来简化材质指定和边界分派等。

10．在COLOR隔壁单击颜色按钮，显现一个调色板。

选择红色。

11．选中ENTER。

长方体出此刻窗口中，可是，它此刻太大了，看不清楚。

12．输入f，视图改变，此刻能够清楚的看到长方体了。

因为长方体和喇叭天线部份重合，必需在长方体中为喇叭天线创建一个空间来适合它。

能够通过把长方体中的喇叭天线切除来达到那个目的。

从长方体abc中减去重叠的喇叭天线horn部份

若是一个物体和另外一个物体部份重叠，作为最终的那个几何模型是无效的。

系统由于不明白哪个物体拥有一起的空间而在创建有限元网格时发生问题。

为了幸免那个问题，能够利用布尔操作来融合、截断或减去一个重叠区域。

关于那个问题，从长方体中减去喇叭天线。

如此在长方体中产生一个空间，正好与长方体重叠的喇叭天线部份相匹配。

喇叭天线和空间相适合而且两个物体再也不重叠。

可是，因为执行了布尔操作，所减去的那个物体将在此操作完成以后被删除（那个例子减去的部份是喇叭天线）。

年厘毫，需要拷贝喇叭天线并把它帖回模型中去。

第二个喇叭天线将占据和第一个相同的空间。

接下来就能够够从辐射长方体中减去第二个喇叭天线了。

拷贝horn

拷贝HORN并把它贴回模型

★拷贝horn：

1．选择EDIT/SELECT。

窗口会显现物体的列表。

2．从列表当选择horn；

3．选中OK。

那么horn被选中，待拷贝；

4．选择EDIT/COPY。

那么horn被拷贝到剪贴板的缓冲区；

5．选择EDIT/PASTE。

那么将缓冲区中的物体拷贝到窗口，第二个喇叭天线的缺省名字是horn1；

减去物体

此刻能够从长方体中减去临时物体了。

被减去的物体会被删除，如此喇叭天线将和长方体紧密匹配。

从abc中减去horn1：

1．选择SOLIDS/SUBTRACT。

显现一个警