1.1 HFSS簡介

    HFSS 是美國 Ansoft 公司開發(fā)的全波三維電磁仿真軟件，該軟件采用有限元法，計算結(jié) 果準(zhǔn)確可靠，是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 HFSS 采用標(biāo)準(zhǔn)的 Windows 圖形用戶界面，簡潔直觀；自動化的設(shè)計流程，易學(xué)易用； 穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，結(jié)果準(zhǔn)確。使用 HFSS，用戶只需要創(chuàng)建或?qū)�入設(shè)計模型， 指定模型材料屬性，正確分配模型的邊界條件和激勵，準(zhǔn)確定義求解設(shè)置，軟件便可以計算 輸出用戶需要的設(shè)計結(jié)果。 HFSS 具有精確的場仿真器，強(qiáng)大的電性能分析能力和后處理功能可以用于分析、計算 并顯示下列參數(shù)。

• S、Y、Z 等參數(shù)矩陣。 電壓駐波比（VSWR）。
• 端口阻抗和傳播常數(shù)。 電磁場分布和電流分布。
• 諧振頻率、品質(zhì)因數(shù) Q。
• 天線輻射方向圖和各種天線參數(shù)，如增益、方向性、波束寬度等。
• 比吸收率（SAR）。
• 雷達(dá)反射截面（RCS）。

    經(jīng)過二十多年的發(fā)展，現(xiàn)今 HFSS 以其無與倫比的仿真精度和可靠性、快捷的仿真速度、 方便易用的操作界面、穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，已經(jīng)成為三維電磁仿真設(shè)計的首選 工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計算機(jī)、通信等多個領(lǐng)域， 幫助工程師高效地設(shè)計各種微波/高頻無源器件。借助于 HFSS，能夠有效地降低設(shè)計成本， 縮短設(shè)計周期，增強(qiáng)企業(yè)的競爭力。HFSS 的具體應(yīng)用包括以下 8 個方面。

    1．射頻和微波無源器件設(shè)計 
    HFSS 能夠快速精確地計算各種射頻/微波無源器件的電磁特性，得到 S 參數(shù)、傳播常數(shù)、 電磁特性，優(yōu)化器件的性能指標(biāo)，并進(jìn)行容差分析，幫助工程師們快速完成設(shè)計并得到各類 器件的準(zhǔn)確電磁特性，包括波導(dǎo)器件、濾波器、耦合器、功率分配/合成器、隔離器、腔體和 鐵氧體器件等。

    2．天線、天線陣列設(shè)計 
    HFSS 可為天線和天線陣列提供全面的仿真分析和優(yōu)化設(shè)計，精確仿真計算天線的各種 性能，包括二維、三維遠(yuǎn)場和近場輻射方向圖、天線的方向性、增益、軸比、半功率波瓣寬 度、內(nèi)部電磁場分布、天線阻抗、電壓駐波比、S 參數(shù)等。

    3．高速數(shù)字信號完整性分析
    隨著信號工作頻率和信息傳輸速度的不斷提高，互聯(lián)結(jié)構(gòu)的寄生效應(yīng)對整個系統(tǒng)的性能 影響已經(jīng)成為制約設(shè)計成功的關(guān)鍵因素。MMIC、RFIC 或高速數(shù)字系統(tǒng)需要精確的互聯(lián)結(jié)構(gòu) 特性分析參數(shù)抽取，HFSS 能夠自動和精確地提取高速互聯(lián)結(jié)構(gòu)和版圖寄生效應(yīng)，導(dǎo)出 SPICE 參數(shù)模型和 Touchstone 文件（即.snp 格式文件），結(jié)合 Ansoft Designer 或其他電路仿真分析 工具去仿真瞬態(tài)現(xiàn)象。

    4．EMC/EMI 問題分析 
    電磁兼容和電磁干擾（EMC/EMI）問題具有隨機(jī)性和多變性的特點(diǎn)，因此，完整的“復(fù) 現(xiàn)”一個實際工程中的 EMC/EMI 問題是很難做到的。Ansoft 提供的“自頂向下”的 EMC 解 決方案可以輕松地解決這個問題。HFSS 強(qiáng)大的場后處理功能為設(shè)計人員提供豐富的場結(jié)果。 整個空間的場分布情況可以以色標(biāo)圖的方式直觀地顯示出來，讓設(shè)計人員對系統(tǒng)的場分布全 貌有所認(rèn)識；進(jìn)一步通過場計算器（Field Calculator），可以給出電場/磁場強(qiáng)度的最強(qiáng)點(diǎn)，并 能輸出詳細(xì)的場強(qiáng)值和坐標(biāo)值。

    5．電真空器件設(shè)計 
    在電真空器件如行波管、速調(diào)管、回旋管設(shè)計中，HFSS 本征模求解器結(jié)合周期性邊界 條件，能夠準(zhǔn)確地仿真分析器件的色散特性，得到歸一化相速與頻率的關(guān)系以及結(jié)構(gòu)中的電 磁場分布，為這類器件的分析和設(shè)計提供了強(qiáng)有力的手段。

    6．目標(biāo)特性研究和RCS 仿真 
    雷達(dá)散射截面（RCS）的分析預(yù)估一直是電磁理論研究的重要課題，當(dāng)前人們對電大尺 寸復(fù)雜目標(biāo)的 RCS 分析尤為關(guān)注。HFSS 中定義了平面波入射激勵，結(jié)合輻射邊界條件或 PML 邊界條件，可以準(zhǔn)確地分析器件的 RCS。

    7．計算SAR 
    比吸收率（SAR）是單位質(zhì)量的人體組織所吸收的電磁輻射能量，SAR 的大小表明了電磁輻射對人體健康的影響程度。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，大眾在享受無線通信設(shè)備帶來的各種 便利之時，也日益關(guān)注無線通信終端對人體健康的影響。使用 HFSS 可以準(zhǔn)確地計算出指定 位置的局部 SAR 和平均 SAR。

    8．光電器件仿真設(shè)計
    HFSS 的應(yīng)用頻率能夠達(dá)到光波波段，精確仿真光電器件的特性。