1、 Ansoft高级培训班教材 ISM天线射频特性的Ansoft HFSS分析 李磊 谢拥军 编著 西安电子科技大学Ansoft培训中心 目录 第一章 序言 第二章 创建项目 第三章 构造模型 第四章 优化 Ansoft高级培训班教材 - 1 - 第一章 序言 本讲义主要是引导学员学习使用Ansoft H FSS的优化功能进行微波工程设计。随着越来越多的民用科研产品集中在ISM频段，这一频段的微波元器件设计也就越来越受到射频工程师的关注。对于民用产品来说，微带天线适应了其集约化、小型化的需求，从而成为产品设计中的关键。 Ansoft HFSS提供的优化设计功能，特别适合于微波产品的优化设计。在这
2、一优化功能中，结构参数、媒质本构常数等可以作为待优化的参数，元件的S参数、本征值和场分布等都可以作为优化的目标函数。学员通过可以本讲义的练习，熟悉这一功能。 这本手册的后边部分描述将引导你如何使用软件去建立、 仿真和优化一个 ISM 天线的 axial ratio（轴比） 。 本例假设使用者已经学习过并理解指南中的 “The Getting Started”的内容。 备注：如果你对该内容不熟悉，请翻看指南中“Using the 3D Solid Modeler”部分。 该天线是一个右手圆极化天线（RHCP） ，工作在2.4GHz 的ISM频率 (Bluetooth, 802.11b, etc.
3、 ) Ansoft高级培训班教材 - 2 - 第二章创建项目 本章中你的目标是： 保存一个新项目。 把一个新的HFSS设计加到已建的项目 为项目选择一种求解方式 设置设计使用的长度单位 时间 ：完成这章的内容总共大约要 5分钟。 一 .打开 HFSS并保存一个新项目 1. 双击桌面上的 HFSS9图标，这样就可以启动 HFSS。启动后的程序工作环境如图： 图 2 1 HFSS工作界面 1 打开File选项(alt+F),单击Save as。 2 找到合适的目录， 键入项目名hfopt_isma ntenna。图 2 2 保存 HFSS 项目 Ansoft高级培训班教材 - 3 - 二 .加入一
4、个新的 HFSS 设计 1 在Project菜单，点击insert H FSS Design选项。( 或直接点击 图标。)一个新的工程被加入到hfopt_ismanten na项目中，默认名为HFSSModel n。 图 2 3 加入新的 HFSS 设计 2 为设计重命名。在项目树中选中 HFSSModel 1,单击鼠标右键，再点击 Rename 项，将设计重命名为 hfopt_ismantenna。 图 2 4 更改设计名 Ansoft高级培训班教材 - 4 - 三 .选择一种求解方式 1 在 HFSS 菜单上，点击 Solution Type选项. 2 选择源激励方式，在 Solution
5、 Type 对话框中选中 Driven Mode 项。 图 2 5 选择求解类型 图 2 6 选择源激励方式 四 .设置设计使用的长度单位 1. 在 3D Modeler 菜单上，点击 Units 选项. 2. 选择长度单位，在 Set Model Units 对话框中选中 mm 项。 图 2 5 选择长度单位 图 2 6 选择 mm 作为长度单位 Ansoft高级培训班教材 - 5 - 第三章构造模型 本章中你的目标是： 建立物理模型。 设置变量。 设置模型材料参数 设置边界条件和激励源 设置求解条件 时间 ：完成这章的内容总共大约要 35分钟。 一 .建立物理模型 1 画长方体。 在 Dr
6、aw 菜单中，点击 Box 选项（或直接点击 图标） ； 图 3 1 通过菜单加入一个 Box 2 输入参数。 按下 Tab 键切换到参数设置区（在工作区的右下角） ，设置长方体的基坐标为(x=-22.5mm,y=-22.5mm,z=0.0mm); 按下 Enter 键后输入三边长度： x 方向 45mm, y 方向45mm, z 方向 5mm。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。 图 3 2 输入长方体的几何尺寸 Ansoft高级培训班教材 - 6 - 3 设置长方体属性 如上设置完几何尺寸后， HFSS 系统会自动弹出长方体属性对话框。 对话框的 Command页里有我们刚才设置的几何尺
7、寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用鼠标建立一个长方体模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。 单击 Attribute 页，在 Attribute 页我们可以为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等参数。这里，我们把这个长方体命名为 Substate，将其透明度设为 0.8。材料在下文统一设置。 设置完毕后，同时按下 ctrl 和 D 键 (ctrl+D)，将视图调整一下。 图 3 3 设置长方体的各项属性 图 3 4 绘出 Substate板后的视窗 小技巧： 按下 alt键后，旋转鼠标，视图随之旋转； Ansoft高级培训班教材 - 7 - 按下 shift 键后，移
8、动鼠标，视图随之平移； 4 画长方形。 在 Draw菜单中，点击 Rectangle选项（或直接点击 图标） ； 图 3 5 通过菜单加入一个 Rectangle 5 输入长方形参数。 按下 Tab 键切换到参数设置区（在工作区的右下角） ，设置长方形的基坐标为(x=-45mm,y=-45mm,z=0.0mm); 按下 Enter 键后输入三边长度： x 方向 90mm, y 方向 90mm, z 方向 0mm。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。 图 3 6 输入长方形的几何尺寸 6 设置长方形属性 如上设置完几何尺寸后， HFSS 系统会自动弹出长方形属性对话框。 对话框的 Comman
9、d页里有我们刚才设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用鼠标建立一个长方形模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。 单击 Attribute 页，在 Attribute 页我们可以为长方形设置名称、材料、颜色、透明度等参数。这里，我们把这个长方形命名为 groundplane，将其透明度设为 0.8。 设置完毕后，同时按下 ctrl 和 D 键 (ctrl+D)，将视图调整一下。 Ansoft高级培训班教材 - 8 - 图 3 7 设置长方形的各项属性 图 3 8 绘出 groundplane后的视窗 Ansoft高级培训班教材 - 9 - 7. 重复上述画长方形
10、的步骤绘出长方形 patch。 参数如下： 名称： patch 长方形坐标基点坐标 : X= -16mm, Y=-16 mm, Z=5mm; x 方向 (dx)=32mm, y 方向 (dy)=32mm, z 方向 (dz)= 0mm。 透明度： 0.8 图 3 9 绘出 patch后的视窗 8. 画圆柱体 在 Draw 菜单中，点击 Cylinder 选项（或直接点击 图标） ； 图 3 10 通过菜单加入一个 Cylinder 9 入圆柱体参数。 按下 Tab 键切换到参数设置区（在工作区的右下角） ，圆柱体坐标基点圆心坐标 : X= 0mm, Y= 8mm, Z=0 mm;高 : 5mm
11、,半径 :0.5mm; 圆柱轴向为 z 轴 . 所以 dx:0.5mm, dy:0mm,dz:5mm 图 3 11 输入圆柱体的几何尺寸 Ansoft高级培训班教材 - 10 - 10. 设置圆柱体属性 如上设置完几何尺寸后， HFSS 系统会自动弹出圆柱体属性对话框。 对话框的 Command页里有我们刚才设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用鼠标建立一个圆柱体模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。 单击 Attribute 页，在 Attribute 页我们可以为圆柱体设置名称、材料、颜色、透明度等参数。这里，我们把这个圆柱体命名为 feed，将其透明度设
12、为 0.8。材料在下文统一设置。 设置完毕后，同时按下 ctrl 和 D 键 (ctrl+D)，将视图调整一下。 图 3 12 设置圆柱体的各项属性 Ansoft高级培训班教材 - 11 - 图 3 13 绘出 pad后的视窗 11.重复上述画长方体的步骤绘出长方 体 air。 参数如下： 名称 : air_box 坐标基点 : X= -80.0mm, Y= -80.0mm, Z= -35.0mm 三边长度 : X 方向 : 160.0mm, Y 方向 : 160.0mm,Z 方向 : 75.0mm 透明度： 0.8 同时按下 ctrl 和 D 键 (ctrl+D)，将视图调整一下。 图3 1
13、4 绘出 air_box 后的视窗 12画圆形。 在 Draw菜单中，点击 Circle选项（或直接点击 图标） ； 图 3 15 通过菜单加入一个 Circle 13输入圆形参数。 按下 Tab 键切换到参数设置区（在工作区的右下角） ，设置圆形的圆形基坐标为(x=0mm,y=8mm,z=0.0mm); 按下 Enter 键后输入三边长度： x 方向 1.5mm, y 方向 0mm, z 方Ansoft高级培训班教材 - 12 - 向 0mm。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。 图 3 16 输入长方形的几何尺寸 14输入圆形属性。 如上设置完几何尺寸后， HFSS 系统会自动弹出圆形属
14、性对话框。对话框的 Command页里有我们刚才设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用鼠标建立一个圆形模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。 单击 Attribute 页，在 Attribute 页我们可以为圆形设置名称、材料、颜色、透明度等参数。这里，我们把这个圆形命名为 port，将其透明度设为 0.8。 设置完毕后，同时按下 ctrl 和 D 键 (ctrl+D)，将视图调整一下。 图 3 17 设置圆形的各项属性 Ansoft高级培训班教材 - 13 - 图 3 18 绘出 port后的局部视窗 15从 groundplane中割去 port。 在操作
15、历史树中利用 ctrl 键先选中 groundplane, 再选中 port；在 3D Modeler 菜单上，点击 Boolean 选项,再选择 Subtract项。 （或直接点击 图标） 注意：出现在 Subtract 左侧的物体是操作后保留的物体。 选中 Clone tool objects before subtract；我们只想在 groudplane 中裁去和 port 一样大小的洞，仍需要保留 port。 图 3 20 通过菜单进行 subtract 操作 图 3 21 subtract 对话框 小技巧：点击 图标可以选择显示、隐藏物体。 Ansoft高级培训班教材 - 14 -
16、 图 3 22 挖去与 port 相同大小的 groundplane（隐去 port） 16画多边形。 在 Draw 菜单中，点击 Line 选项（或直接点击 图标） ； 图 3 23 通过菜单加入一个多边形 17输入多边形参数。 按下 Tab 键切换到参数设置区（在工作区的右下角） ，输入第一个点的坐标为(x=0mm,y=0mm,z=0mm); 按下 Enter 键后输入第二个点的坐标为 (x=6mm,y=0mm,z=0mm); 再按下 Enter 键后输入第三个点的坐标为 (x=0mm,y=6mm,z=0mm); 按下 Enter 键后输回第一个点的坐标为 (x=0mm,y=0mm,z=0
17、mm)。 注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。 当所绘曲线闭合后，在绘图区点击鼠标右键，再次在绘图区点击鼠标右键，选择 Done项结束曲线绘制。 图 3 24 输入多边形的几何尺寸参数 Ansoft高级培训班教材 - 15 - 图 3 25 设置多边形的线形后结束曲线绘制 18置多边形属性 如上设置完几何尺寸后， HFSS 系统会自动弹出多边形属性对话框。 在 Attribute 页我们可以为多边形设置名称、材料、颜色、透明度等参数。这里，我们把这个长方形命名为 Chamcut1，将其透明度设为 0.8。 设置完毕后，同时按下 ctrl 和 D 键 (ctrl+D)，将视图调整一下。 图 3
18、 26 设置多边形的各项属性 Ansoft高级培训班教材 - 16 - 图 3 27 绘出多边形 Chamcut1后的视窗 19下面我们把多边形 Chamcut1 移到边角去。 在操作历史树中选中 Chamcut1；在Edit 菜单上，点击 Arrage选项,再选择Move 项。（或直接点击 图标） 。 按下 Tab 键切换到参数设置区（在工作区的右下角） ，输入位移矢量。 位移矢量起点坐标为 (x=0mm,y=0mm,z=0mm); 按下 Enter 键后输入矢量方向大小dx=-16mm,dy=-16mm,dz=5mm 注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。 Ansoft高级培训班教材 -
19、17 - 图 3 28 通过菜单进行 Move 操作 图 3 29 输入多边形移动的位置矢量 图 3 29 多边形移动后的位置视窗 Ansoft高级培训班教材 - 18 - 20复制多边形 Chamcut1，并将它移到另一个对角。 在操作历史树中选中 Chamcut1； 在Edit 菜单上， 点击Duplicate 选项,再选择Around Axis 项。 （或直接点击 图标） 。 图 3 30 从操作历史树选中 duplicate 操作， around Axis 方式 此时出现轴向选择对话框，我们将轴线设为 Z轴，旋转角度 180deg；我们只需复制一份，连同原来的共 2份，所以 total
20、设为 2. 图 3 31 轴向选择对话框设置 图 3 32 为复制的物体改名 复制的物体被自动命名为 Chamcut1_1;我们将其分别命名为 Chamcut2。具体方法为：在操作历史树中选中 Chamcut1_1；在 Attribute 工作区把 Name 从 Chamcut1_1 改为 Chamcut2。 Ansoft高级培训班教材 - 19 - 图 3 33 Chamcut1 被复制后的视窗 21模仿以上步骤把 Chamcut1, Chamcut2 从 Patch 中割去。 但这次不要选中 Clone tool objects before subtract；因为我们想在把 Patch
21、裁去和Chamcut1, Chamcut2 一样大小的角，并不需要保留 Chamcut1, Chamcut2。 图 3 34 减去 Chamcut1， Chamcut2 角后的总视窗 Ansoft高级培训班教材 - 20 - 至此几何建模完成。 二 .设置变量 1在 goundplane 中设置变量。 在操作历史树中 ,点击 goundplane 前 +号将其展开；选中 CreatRectangle 单击鼠标右键，点击 Properties 项（或直接在 command 窗口修改） 。 图 3 35 从操作历史树选中 CreatRect 图 3 36 在 command 窗口的属性表 修改 P
22、osition，把原来的 -45,-45,0 改为 glaneStart,glaneStart,0； 图 3 37 在goundplane 的 command 页修改 Position Ansoft高级培训班教材 - 21 - 因为 glaneStart 变量从来没有定义过， HFSS 系统会自动跳出变量定义框。我们将 glaneStart定义为 -45mm。 （注意：不要忘记了写单位 mm） 。 图 3 38 定义变量 glaneStart 下一步修改 XSize， Ysize；把原来的 90mm,90mm 改为 glaneSize, glaneSize； 定义变量 glaneSize 为
23、90mm,步骤如上。 图 3 39 修改完毕后的 goundplane的 command 页 2在 substrate 中设置变量。 操作步骤同上，需要设置的变量及其参数如下： subStart: -22.5mm; subSize: 45mm; subHeight: 5mm; Position: -22.5mm,-22.5mm,0mm- subStart , subStart , 0mm; Ansoft高级培训班教材 - 22 - XSize : 45mm- subSize; YSize : 45mm- subSize; ZSize : 5mm- subHeight. 图 3 40 修改完毕后
24、的 substrate的 command 页 3 在 Patch 中设置变量。 操作步骤同上，需要设置的变量及其参数如下： PatchStart: -16mm; PatchSize: 32mm; Position: -16mm, -16mm, 5mm - PatchStart , PatchStart , subHeight; XSize : 32mm - PatchSize; YSize : 32mm - PatchSize; 图 3 41 修改完毕后的 Patch的 command 页 4 在 feed 中设置变量。 操作步骤同上，需要设置的变量及其参数如下： FeedLocation:
25、8mm; Position: 0 mm, 8mm , 0mm - 0mm , FeedLocation , 0mm; Ansoft高级培训班教材 - 23 - Height : 5mm - SubHeight; 图 3 42 修改完毕后的 feed 的 command 页 5 在 port 中设置变量。 操作步骤同上，需要设置的变量及其参数如下： Position: 0 mm, 8mm , 0mm - 0mm , FeedLocation , 0mm; 图 3 43 修改完毕后的 port 的 command 页 6 在 chamCut1 中设置变量。 ChamCut1 在我们切割后并未消失，
26、而是隐藏在 patch 的 Subtract 操作中；在操作历史树中 ,点击 patch 前 +号将其层层展开直到看到 CreateLine(patch Chamcut1 CreatPolyline CreateLine)；用鼠标双击 CreateLine 后，出现线条属性修改窗口。 Ansoft高级培训班教材 - 24 - 图 3 44 展开 Patch 操作可以显示 CreateLine 项 定义变量 ChamSize 6mm；通过修改起始点坐标来改变多边形 Chamcut1的边长。 原来的第二点坐标 6,0,0 ChamSize,0,0 原来的第三点坐标 0,6,0 0, ChamSiz
27、e,0 具体做法是以此次双击三个 CreateLine后，如下图修改线条属性。 图 3 45 修改起始点坐标来改变多边形 Chamcut1 的边长 7 修改 Chamcut1 的位移矢量。 在操作历史树中 ,点击patch前 +号将其层层展开直到看到 Move(patch Chamcut1 Move)；用鼠标双击 Move后，出现位移矢量属性修改窗口。 将其中的 Move Vector 从 -16mm 16mm 5mm改为 patchStart,patchStart, SubHeight; Ansoft高级培训班教材 - 25 - 图 3 46 修改 Chamcut1 的位移矢量 8 建立变量
28、之间的关系。 在 project工作区选择 hfopt_ismantenna设计，点击鼠标右键选择 Design Properties项。 图 3 47 从 project 工作区更改设计变量 此时 HFSS 系统会弹出变量属性对话框； 将 glaneStart设为 -glaneSize/2； 将 subStart设为 -subSize/2； 将 PatchStart设为 -patchSize/2； 建立变量联系。 Ansoft高级培训班教材 - 26 - 图 3 48建立变量联系 变量设置至此结束。 三 .设置模型材料参数 1 设置 feed的材料为 copper。 在操作历史树中选中 fe
29、ed；点击鼠标右键，选择 Assign Material项。出现材料库对话框，选择 copper后点击确定。 图 3 49通过菜单进行材料分配操作 Ansoft高级培训班教材 - 27 - 图 3 50 材料库对话框 2.模仿以上步骤把 Substrate的材料设为 Rogers4003。 （提示：可用材料名在材料库中搜索） 3. air已被系统默认设置为真空，无需更改。 四 .设置边界条件和激励源 1 将 air设置成辐射边界条件； 在操作历史树中选中 air,单击鼠标右键，进入 Assign Boundary选项，点击 Raditation选项。此时 HFSS系统提示你为此边界命名，我们把
30、此边界命名为 air。 图 3 51 通过菜单设置边界条件 图 3 52 为边界条件命名 Ansoft高级培训班教材 - 28 - 图 3 53 设置 air边界条件后的视窗 2 将 groundplane和 patch设为 finite conductivity； 在操作历史树中选中利用 ctrl键同时选中 groundplane和 patch，单击鼠标右键，进入 Assign Boundary选项，点击 Finite Conductivity选项。此时 HFSS系统提示你为此边界命名，使用默认设置即可。 图 3 54 通过菜单设置边界条件 3 为 port设置激励源 在操作历史树中选中 port,单击鼠标右键，进入 Assign Excitation选项，点击 Lumped port选项。此时 HFSS系统绘自动弹出 Lumped Port :General对话框，我们将名称设为 port1,其他接受系统默认值，点击“下一步 ”按钮 ,进入 Lumped Port :Mode页。点击积分线 (Integration
