ANSYS HFSS软件学习笔记

HFSS （High Frequency Simulator Structure）是美国 Ansoft 公司开发的，基于电磁场有限元法分析微波工程问题的全波三维电磁仿真软件，其功能强大，界面友好，计算结果准确，是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。本文从基础入手掌握HFSS使用的基本方法，用一个鸟笼线圈仿真实例介绍HFSS的基本操作。

仿真流程

1.设置求解类型
共有三种求解类型，分别是模式驱动求解（Driven Modal）、终端驱动求解（Driven Terminal）和本征求解（Eigenmode）。模式驱动求解类型是根据导波模式的入射和反射功率来计算S参数矩阵的解，终端驱动求解类型是根据传输线终端的电压和电流来计算S参数矩阵的解。我们一般使用模式驱动求解。

2.创建结构模型
根据线圈的尺寸和结构，在HFSS模型窗口中创建出HFSS参数化设计模型。另外HFSS也可以直接导入AutoCAD、Pro/E等第三方软件创建的结构模型。

3.设置边界条件【Assign Boundary】

HFSS中定义了许多种边界条件类型，常用的边界条件是理想导体边界条件（Perfect E）、有限导体边界条件Finite Conductivity）、辐射边界条件（Radiation）和集总RLC边界条件（Lumped RLC）。

a. 理想导体边界条件

在HFSS中，任何与背景相关联的物体表面以及材质为理想电导体（Pec）的物体表面都会被自动设置为理想导体边界。这种边界条件的电场矢量（E-Field）垂直于物体表面。

b. 辐射边界条件

辐射边界条件也称为吸收边界条件（Absorbing Boundary Condition, ABC）,用于模拟开放的有限空间。系统在辐射边界处吸收了电磁波，本质上可以把边界看成是延伸到空间无限远。

c. 集总RLC边界条件（Lumped RLC）

集总RLC边界条件（Lumped RLC）是用一组并联的电阻、电感和电容来模拟物体表面。在设置集总 RLC 边界条件时，用户只需要给出集总 R、L、C 的真实值，HFSS 软件会自动计算出工作频率下集总RLC 边界以 Ohm/square 为单位的表面阻抗。

4.设置激励条件
在HFSS中，激励是一种定义在三维物体表面或者二维平面物体上的激励源，这种激励源可以是电磁场、电压源、电流源或者电荷源。HFSS中定义了多种激励方式，一般使用集总端口（Lumped Port）。

5.设置求解参数
HFSS软件采用自适应网络剖分技术，根据用户设置的误差标准，自动生成精准、有效的网络来分析物体模型的电磁特性。HFSS基本的求解参数包括求解频率、自适应网络剖分的最大迭代次数和收敛误差。如果需要进行扫频分析，还需要设置扫频类型和扫频范围。

6.运行求解分析
上述操作完成后，即创建好了模型，正确设置了边界条件、激励方式和求解参数，即可执行求解分析操作命令来运行仿真计算。整个仿真计算由HFSS软件自动完成，不需要用户干预。分析完成后，如果结构不收敛，则需要重新设置求解参数；如果结果收敛，则说明计算结果达到了设定的精度要求。

7.查看求解结果
求解分析完成后，在数据后处理部分可以查看HFSS分析出的天线的各项性能参数，如回波损耗S11、电压驻波比VSWR、输入阻抗、天线方向图、轴比和电流分布等。如果仿真计算的模型的性能未能达到设计要求，那么还需要使用HFSS的参数扫描分析功能或者优化设计功能，进行参数扫描分析和优化分析。

8.Optimetrics优化设计
Optimetries是集成在HFSS中的设计优化模块，该模块通过自动分析设计参数的变化对求解结果的影响，实现参数扫描分析（Parametric）、优化设计（Optimization）、调谐分析（Tuning）、灵敏度分析（Sensitivity）和统计分析（Statistical）等功能。

鸟笼线圈仿真实例

1.新建HFSS的工程文件并保存。

HFSS中
滑动滚轮=放大或缩小
按住SHIFT再鼠标左键点击拖动=上下左右平移模型
按住鼠标滚轮拖动=旋转模型切换不同视角查看模型
选中模型Ctrl+H=隐藏该模型
网格上右键>View>Show All=显示所有隐藏模型
Fit All=以合适大小显示模型
单击Orient或者下拉菜单选项=不同视角显示模型

2.画两个底面圆心位置相同、半径不同、高相同的圆柱体，选中两个圆柱，相减（subtract）,得到一个圆筒。

3.双击CreateCylinder可修改尺寸，修改半径为R_coil_out，会弹出添加变量对话框，可以先随意赋值，后面可以在HFSS>Design Properties修改，Value还可以是表达式的形式，如Height一栏，+、-、*、/、sin、cos等等，若是常量和变量运算要带单位，如H_leg+5mm。

变量可以在建模时根据需要边建模边创建，也可以一开始直接创建一系列需要的变量，在HFSS>Design Properties中Add就可以，下面是鸟笼线圈建模需要的一系列变量。

4.双击Cylinder1可以更改材料类型、颜色、透明度等属性，将材料由真空（vacuum）改为铜（copper）。

5.接下来需要通过一系列spilt命令将圆筒切成许多部分，去掉不需要的部分，留下需要的部分，使用unite合并为一个整体。
此时，需要建立相对参考坐标系（Relative CS），一开始创建工程会有一个Global坐标系，相对参考坐标系相对于Global来建立，如把Global沿Z轴平移、沿Z轴旋转任意角度等。建立好坐标系后，可以在左侧的标签树Coordinate Systems中点击选择当前使用的坐标系（图标右下角有红的波浪）。

点击Relative CS，随意位置建立一个坐标系，在左侧Coordinate Systems中双击该坐标系可以更改名称，Origin是该坐标系的原点在参考的坐标系中坐标，后两行确定X、Y轴的方向，可以是变量表达式或者常量，如Reference CS：Global，Origin：0,0,0，X:1,1,0，Y:-1,1,0表示将Global逆时针旋转45度后的坐标系。

沿Z轴旋转，可以切出鸟笼线圈的legs和HP鸟笼线圈的电容位置

沿Z轴平移，可以切出Endring

选中待切模型，点击Spilt，第一栏选择切割平面，第二栏选择切割后的两个模型保留其中一个还是都保留。

完成全部切割如下

去掉不需要部分，再全选所有模型，点击unite整合成一个整体

6.在环上缺口处补上电容，方法是在缺口处画一个矩形，然后设置boundary类型（要保证矩形和线圈是连接着的）。

这是3D的模型，画平面图形是必须选择在XY、XZ、YZ哪个平面上画，右上角工具栏可以选择

画下图第一个电容，坐标系选择Relative CS中的G+22.5，平面选择YZ，也是先随意参数创建一个矩形，再双击左边的CreateRectangle更改参数，Position确定矩形的顶点，最后两项分别是长和宽

选中该矩形，右键点击Assign Boundary>Lumped RLC，设置电容值，最后一行电流方向选择New Line，在矩形上点两点确定一条方向线


这里特别注意选取的点一定是矩形上的点，如果选到的是旁边线圈上的一点，会报错，可以把模型放大，调整合适的角度，方便选取正确位置的点。

在HFSS中，选取一个点时，光标是一个小正方形黑点，但当你选取的点的位置比较特殊时，光标会自动变成其他形状

右上角这些选中（阴影表示已启用），就有自动获取特殊位置的点的功能，大圆点表示面的中心，大正方形点表示模型边缘顶点，三角形表示棱的中点，扇形表示棱的四分之一位置。
7.第一个电容加好后，其他电容不必一一添加，工具栏的Dulplicate命令可以快速复制，第一行是沿着某条线平移，第二行是绕轴旋转，第三行是镜像

先平移下endring上的电容到上endring上，再Ctrl选中两个电容，点Around Axis，第一行选择旋转轴为Z轴，第二行选择以45度旋转，第三行8表示旋转复制七次

结果如下图

8.设置激励。选中其中一个矩形，右键Assign Excitation>Lumped Port，点New Line设置一条Integration Line，HFSS>Fields>Edit Sources可设置激励的功率和相位
9.加一个支撑层（图中白色圆筒）材料选择Polyamide。

10.再加一个屏蔽层Shield，材料选择air。

工具栏object切换为face，这样鼠标点击只能选择面，而不是整个物体

选择屏蔽层的外表面右键Assign Boundary>Perfect E设置理想电导体表面的屏蔽层

11.画一个比模型大得多的空气盒子包住整个模型，选中所有面，右键Assign Boundary>Radiation创建辐射边界条件。

12.点击工具栏Simulation>Validate进行仿真前检查会发现Anysis Setup中未设置，点Setup设置扫频范围及扫频点数。



13.点击Validate检查无问题后，点击Analyse All开始仿真。
14.等待仿真程序跑完，右键点击左侧Project Manager中的Results>Create modal solution data report>Rectangle Plot可查看S参数结果，找到谐振频率。

15.在线圈内部画一些平面，若是仿真后画会提示创建non modal类型，点确认。选择面，右键>Plot Fields>H>mag_H/vector_H查看磁场强弱分布情况或者磁场方向情况。

16.Ansys HFSS中包含Optimetrics优化模块，它提供了多种优化分析工具。

Parametric参数化优化；
Optimization目标优化；
Sensitivity敏感度分析；
Statistical统计分析；
Tuning实时调谐；
Design of Experiments实验设计
可参照https://blog.csdn.net/qq_41542947/article/details/108104890