【共享】HFSS與MWS簡介及HFSS使用心得

1、簡介
目前，國際上主流的三維高頻電磁場仿真軟件有德國CST公司的MicroWave Studio（微波工作室）、
美國Ansoft公司的HFSS（高頻電磁場仿真），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也意識到了
自己的缺點，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個軟件各有所長，在業(yè)界每隔一定時間就會有一次軟件比
賽，看看誰的軟件算的快，算的準(zhǔn)，在過去的時間里，CST和ANSOFT成績相差不多；價格方面，2個軟
件相差不多，大約在7～8萬美元的水平，且都有出國培訓(xùn)的安排。
值得注意的是，MWS采用的理論基礎(chǔ)是FDTD（有限時域差分方法），所以MWS的計算是由時域得到頻域
解，對于象濾波器，耦合器等主要關(guān)心帶內(nèi)參數(shù)的問題設(shè)計就非常適合；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是由頻域到時域，對于設(shè)計各種輻射器及求本
征模問題很擅長。當(dāng)然，并不是說2個軟件在對方的領(lǐng)域就一無是處。
由于Ansoft進(jìn)入中國市場較早，所以目前國內(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，對于絕大
部分的問題來說，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HFSS，因此對一些屬于基本操作方面的內(nèi)容并不提及。

2.1、對稱的使用
對于一個具體的高頻電磁場仿真問題，首先應(yīng)該看看它是否可以采用對稱面。這里面的約束主要在幾
何對稱和激勵對稱要求。如果一個問題的激勵并不要求是可改變的，比如全部同相饋電的陣列，此時
最好采用對稱，甚至可以采用2個對稱（E和H對稱），將可以大大節(jié)約時間和設(shè)備資源。

2.2、面的使用
在實際問題中，有很多結(jié)構(gòu)是可以使用2維面來代替的，使用2維面的好處是可以極大的減少計算量并
且結(jié)果與使用3維實體相差無幾。例如計算一個微帶的分支線耦合器，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算時間大約是采用等效面為偶極
子的4～5倍，由此可見一般。

2.3、Lump Port（集中端口）的使用
在HFSS8里提供了一種新的激勵：Lump Port，這種激勵避免了建立一個同軸或者波導(dǎo)激勵，從而在一
定程度上減輕了模型量，也減少了計算時間。Lump Port也可以使用一個面來代表，要注意的是對該
Port的校準(zhǔn)線和阻抗線的設(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。

2.4、關(guān)于輻射邊界的問題
在不需要求解近（遠(yuǎn)）場問題時，比如密封在金屬箱體里面的濾波器等密閉問題，無需設(shè)置輻射邊
界。
在需要求解場分布或者方向圖時，必須設(shè)置輻射邊界。這里有些需要注意的問題：在計算大帶寬周期
性結(jié)構(gòu)時，比如3個倍頻程，最好分段計算，例如以一個倍頻程為一段，也就是說在不同的頻段計算
時設(shè)置不同大小的輻射邊界，否則在計算的頻率邊緣難以保證計算精度；其次，輻射邊界的大小和問
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球或并不過分的橢球中時，宜采用立方體
邊界——簡單有效，如果問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，對于輻射問題，如果估計問題的增益較低（比如2dB），那么邊界宜采用球形，此時為了得到
結(jié)果準(zhǔn)確也只好犧牲時間了；另在HFSS 8中提供了一種新的吸收邊界——PML邊界條件，對于這種邊
界，筆者并不是很滿意，盡管其有效距離為八分之一個中心波長——是老邊界的一半，可以減少計算
量，然而這種邊界由程序自己生成，為一個立方體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，對于一些特殊的復(fù)雜問題，這種邊界
內(nèi)部有很多的空間是無用的，此時還不如使用老邊界靈活。

2.5、關(guān)于開孔
有些問題需要在壁上開孔，此時可以采用2種辦法，其一是老老實實的在模型上挖空；其二是采用
H/Natrue邊界條件，通常，如果是在面上開孔，將會采用后者，簡單，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)入計算模塊，第一步是給問題劃分網(wǎng)格。對于一般問題，讓軟件自動劃分比
較省心，但對大型問題和復(fù)雜問題，讓軟件自己劃分可能需要很好的耐性來等待。根據(jù)實際經(jīng)驗，在
大型模型的結(jié)構(gòu)密集區(qū)域或場敏感區(qū)域使用人工劃分可以得到很好的效果，有些問題的計算結(jié)果開始
表現(xiàn)為收斂，但進(jìn)一步提高精度，卻又反彈，問題就在于開始時場敏感區(qū)域的網(wǎng)格劃分不夠仔細(xì)，導(dǎo)
致計算結(jié)果的偏差。

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

2.8、關(guān)于掃描
HFSS提供一個掃描功能，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頻點的場結(jié)
果，其計算時間是單個頻點計算時間之和；對快速掃描，將可以得到所計算的頻率范圍內(nèi)的所有頻率
場結(jié)果，但是其計算速度和頻點多少關(guān)系不大，基本和模型復(fù)雜程度正比，有時掃描計算的時間非常
長，如果不是特別需要關(guān)心所有的場情況，建議選用離散掃描，對于特別巨大的問題，則是以快速掃
描為宜。而插值方式比較少用。

2.9、關(guān)于問題的規(guī)模
HFSS所能計算的問題規(guī)模與計算機(jī)硬件關(guān)系很大，其次是所使用的操作系統(tǒng)。在HFSS8里，問題描述
矩陣的階基本和網(wǎng)格數(shù)正比，對于四面體上10萬的問題也能游刃有余（只要機(jī)器夠好），然而這并非
是指實際問題的電尺寸，實際上，要精確計算一個計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)電纜接頭（RJ45）所需要的時間和資源
并不比計算一個有一個波長電尺寸的一般輻射問題少多少，所以實際上其計算規(guī)模的主要約束是問題
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應(yīng)該盡量簡化模型。一般來說，除了在激勵區(qū)，當(dāng)結(jié)構(gòu)電尺寸比二十分之一波長
還小時，可以忽略它的存在而不會引入明顯的誤差，這一點在解決問題之初很有效，可以迅速發(fā)現(xiàn)問
題的關(guān)鍵；當(dāng)問題的主要要求滿足后，再將模型細(xì)化以獲得更加精確的結(jié)果。