【共享】HFSS與MWS簡(jiǎn)介及HFSS使用心得

1、簡(jiǎn)介
目前，國(guó)際上主流的三維高頻電磁場(chǎng)仿真軟件有德國(guó)CST公司的MicroWave Studio（微波工作室）、
美國(guó)Ansoft公司的HFSS（高頻電磁場(chǎng)仿真），而諸如Zeland等軟件則最多只能算作2.5維的。
就目前發(fā)行的版本而言， CST的MWS的前后處理界面及操作感比HFSS好很多，然而Ansoft也意識(shí)到了
自己的缺點(diǎn)，在將要推出的新版本HFSS（定名為Ansoft Designer）中，界面及操作都得到了極大的
改善，完全可以和CST相比；在性能方面，2個(gè)軟件各有所長(zhǎng)，在業(yè)界每隔一定時(shí)間就會(huì)有一次軟件比
賽，看看誰(shuí)的軟件算的快，算的準(zhǔn)，在過(guò)去的時(shí)間里，CST和ANSOFT成績(jī)相差不多；價(jià)格方面，2個(gè)軟
件相差不多，大約在7～8萬(wàn)美元的水平，且都有出國(guó)培訓(xùn)的安排。
值得注意的是，MWS采用的理論基礎(chǔ)是FDTD（有限時(shí)域差分方法），所以MWS的計(jì)算是由時(shí)域得到頻域
解，對(duì)于象濾波器，耦合器等主要關(guān)心帶內(nèi)參數(shù)的問(wèn)題設(shè)計(jì)就非常適合；而HFSS采用的理論基礎(chǔ)是有
限元方法，是一種積分方法，其解是頻域的，所以HFSS是由頻域到時(shí)域，對(duì)于設(shè)計(jì)各種輻射器及求本
征模問(wèn)題很擅長(zhǎng)。當(dāng)然，并不是說(shuō)2個(gè)軟件在對(duì)方的領(lǐng)域就一無(wú)是處。
由于Ansoft進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)較早，所以目前國(guó)內(nèi)的HFSS使用者眾多，特別是在各大通信技術(shù)研究單位、
公司、高校非常普及。

2、使用心得
和大部分的大型數(shù)值分析軟件相似，以有限元方法為基礎(chǔ)的Ansoft HFSS并非是傻瓜軟件，對(duì)于絕大
部分的問(wèn)題來(lái)說(shuō)，想要得到快速而準(zhǔn)確的結(jié)果，必須人工作一定的干預(yù)。除了必須十分明了模型細(xì)節(jié)
外，建模者本身也最好具備一定的電磁理論基礎(chǔ)。
作者假定閱讀者使用過(guò)HFSS，因此對(duì)一些屬于基本操作方面的內(nèi)容并不提及。

2.1、對(duì)稱(chēng)的使用
對(duì)于一個(gè)具體的高頻電磁場(chǎng)仿真問(wèn)題，首先應(yīng)該看看它是否可以采用對(duì)稱(chēng)面。這里面的約束主要在幾
何對(duì)稱(chēng)和激勵(lì)對(duì)稱(chēng)要求。如果一個(gè)問(wèn)題的激勵(lì)并不要求是可改變的，比如全部同相饋電的陣列，此時(shí)
最好采用對(duì)稱(chēng)，甚至可以采用2個(gè)對(duì)稱(chēng)（E和H對(duì)稱(chēng)），將可以大大節(jié)約時(shí)間和設(shè)備資源。

2.2、面的使用
在實(shí)際問(wèn)題中，有很多結(jié)構(gòu)是可以使用2維面來(lái)代替的，使用2維面的好處是可以極大的減少計(jì)算量并
且結(jié)果與使用3維實(shí)體相差無(wú)幾。例如計(jì)算一個(gè)微帶的分支線(xiàn)耦合器，印制板的微帶以及地都可以指
定某些面為理想電面代替，這樣可以很快的獲得所需要的物理尺寸及其性能。再以計(jì)算偶極子為例，
如果偶極子是以理想導(dǎo)體為材質(zhì)的圓柱，那么相同的其他條件下其計(jì)算時(shí)間大約是采用等效面為偶極
子的4～5倍，由此可見(jiàn)一般。

2.3、Lump Port（集中端口）的使用
在HFSS8里提供了一種新的激勵(lì)：Lump Port，這種激勵(lì)避免了建立一個(gè)同軸或者波導(dǎo)激勵(lì)，從而在一
定程度上減輕了模型量，也減少了計(jì)算時(shí)間。Lump Port也可以使用一個(gè)面來(lái)代表，要注意的是對(duì)該
Port的校準(zhǔn)線(xiàn)和阻抗線(xiàn)的設(shè)置一定要準(zhǔn)確，端口在空間上一定要與其他金屬（或電面）相接，否則結(jié)
果極易出錯(cuò)。

2.4、關(guān)于輻射邊界的問(wèn)題
在不需要求解近（遠(yuǎn)）場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，比如密封在金屬箱體里面的濾波器等密閉問(wèn)題，無(wú)需設(shè)置輻射邊
界。
在需要求解場(chǎng)分布或者方向圖時(shí)，必須設(shè)置輻射邊界。這里有些需要注意的問(wèn)題：在計(jì)算大帶寬周期
性結(jié)構(gòu)時(shí)，比如3個(gè)倍頻程，最好分段計(jì)算，例如以一個(gè)倍頻程為一段，也就是說(shuō)在不同的頻段計(jì)算
時(shí)設(shè)置不同大小的輻射邊界，否則在計(jì)算的頻率邊緣難以保證計(jì)算精度；其次，輻射邊界的大小和問(wèn)
題的具體形狀密切相關(guān)，如果物體的外部輪廓可以裝在一個(gè)球或并不過(guò)分的橢球中時(shí)，宜采用立方體
邊界——簡(jiǎn)單有效，如果問(wèn)題的外部輪廓較為復(fù)雜或者橢球2軸差距太大，以采用相似形邊界或圓柱
邊界，對(duì)于輻射問(wèn)題，如果估計(jì)問(wèn)題的增益較低（比如2dB），那么邊界宜采用球形，此時(shí)為了得到
結(jié)果準(zhǔn)確也只好犧牲時(shí)間了；另在HFSS 8中提供了一種新的吸收邊界——PML邊界條件，對(duì)于這種邊
界，筆者并不是很滿(mǎn)意，盡管其有效距離為八分之一個(gè)中心波長(zhǎng)——是老邊界的一半，可以減少計(jì)算
量，然而這種邊界由程序自己生成，為一個(gè)立方體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，對(duì)于一些特殊的復(fù)雜問(wèn)題，這種邊界
內(nèi)部有很多的空間是無(wú)用的，此時(shí)還不如使用老邊界靈活。

2.5、關(guān)于開(kāi)孔
有些問(wèn)題需要在壁上開(kāi)孔，此時(shí)可以采用2種辦法，其一是老老實(shí)實(shí)的在模型上挖空；其二是采用
H/Natrue邊界條件，通常，如果是在面上開(kāi)孔，將會(huì)采用后者，簡(jiǎn)單，便于修改。

2.6、關(guān)于網(wǎng)格劃分
當(dāng)模型建立好了之后，進(jìn)入計(jì)算模塊，第一步是給問(wèn)題劃分網(wǎng)格。對(duì)于一般問(wèn)題，讓軟件自動(dòng)劃分比
較省心，但對(duì)大型問(wèn)題和復(fù)雜問(wèn)題，讓軟件自己劃分可能需要很好的耐性來(lái)等待。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在
大型模型的結(jié)構(gòu)密集區(qū)域或場(chǎng)敏感區(qū)域使用人工劃分可以得到很好的效果，有些問(wèn)題的計(jì)算結(jié)果開(kāi)始
表現(xiàn)為收斂，但進(jìn)一步提高精度，卻又反彈，問(wèn)題就在于開(kāi)始時(shí)場(chǎng)敏感區(qū)域的網(wǎng)格劃分不夠仔細(xì)，導(dǎo)
致計(jì)算結(jié)果的偏差。

2.7、關(guān)于所需要的精度
計(jì)算問(wèn)題時(shí)，一般需要給定一個(gè)收斂精度和計(jì)算次數(shù)以避免程序“陷入計(jì)算而無(wú)法自拔”，當(dāng)對(duì)模型
熟悉后，可以單單靠給定次數(shù)。在問(wèn)題之初，建議的計(jì)算精度不要太高，實(shí)際中曾見(jiàn)到有操作者將問(wèn)
題的S參數(shù)精度設(shè)定為0.00001，其實(shí)這是完全沒(méi)有必要的，一般S參數(shù)的精度設(shè)定為0.02左右就已經(jīng)
可以滿(mǎn)足絕大部分問(wèn)題的需要（此時(shí)應(yīng)該注意有無(wú)收斂反彈的情況）。如果是計(jì)算次數(shù)，對(duì)于密閉問(wèn)
題，建議是設(shè)定為8～12次，對(duì)于輻射問(wèn)題，一般計(jì)算6～8次左右即可觀察結(jié)果，如果不夠再?zèng)Q定是
否繼續(xù)計(jì)算。

2.8、關(guān)于掃描
HFSS提供一個(gè)掃描功能，分3種方式：快速、離散和插值。其中離散掃描只保留最后一個(gè)頻點(diǎn)的場(chǎng)結(jié)
果，其計(jì)算時(shí)間是單個(gè)頻點(diǎn)計(jì)算時(shí)間之和；對(duì)快速掃描，將可以得到所計(jì)算的頻率范圍內(nèi)的所有頻率
場(chǎng)結(jié)果，但是其計(jì)算速度和頻點(diǎn)多少關(guān)系不大，基本和模型復(fù)雜程度正比，有時(shí)掃描計(jì)算的時(shí)間非常
長(zhǎng)，如果不是特別需要關(guān)心所有的場(chǎng)情況，建議選用離散掃描，對(duì)于特別巨大的問(wèn)題，則是以快速掃
描為宜。而插值方式比較少用。

2.9、關(guān)于問(wèn)題的規(guī)模
HFSS所能計(jì)算的問(wèn)題規(guī)模與計(jì)算機(jī)硬件關(guān)系很大，其次是所使用的操作系統(tǒng)。在HFSS8里，問(wèn)題描述
矩陣的階基本和網(wǎng)格數(shù)正比，對(duì)于四面體上10萬(wàn)的問(wèn)題也能游刃有余（只要機(jī)器夠好），然而這并非
是指實(shí)際問(wèn)題的電尺寸，實(shí)際上，要精確計(jì)算一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)電纜接頭（RJ45）所需要的時(shí)間和資源
并不比計(jì)算一個(gè)有一個(gè)波長(zhǎng)電尺寸的一般輻射問(wèn)題少多少，所以實(shí)際上其計(jì)算規(guī)模的主要約束是問(wèn)題
的復(fù)雜程度，而復(fù)雜程度里面包含了電尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度等要素。
由此提醒我們建模時(shí)應(yīng)該盡量簡(jiǎn)化模型。一般來(lái)說(shuō)，除了在激勵(lì)區(qū)，當(dāng)結(jié)構(gòu)電尺寸比二十分之一波長(zhǎng)
還小時(shí)，可以忽略它的存在而不會(huì)引入明顯的誤差，這一點(diǎn)在解決問(wèn)題之初很有效，可以迅速發(fā)現(xiàn)問(wèn)
題的關(guān)鍵；當(dāng)問(wèn)題的主要要求滿(mǎn)足后，再將模型細(xì)化以獲得更加精確的結(jié)果。