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本书共分8章,主要讲解了在HFSS中建立微波电路分析和天线仿真分析,简要讲述了HFSS在信号完整性分析和电磁兼容中的应用。
本书在编写过程中参考了大量的国内外资料,并且融合了作者在电子科技大学大量的实际研发经验,结合大量实际分析案例来讲解,层层深入到HFSS的高级应用,以求最大限度地为读者提供实用的HFSS教程,帮助读者快速掌握HFSS电磁分析技术。
内容简介
本书主要讲解在HFSS中建立微波电路分析和天线仿真分析,然后简要讲述HFSS在信号完整性分析和电磁兼容中的应用。微波电路分析的类型包括魔T、微带低通滤波器、SIR微带带通滤波器、微带带阻滤波器、介质谐振器、微带耦合器等。天线仿真分析的类型包括对称振子天线、喇叭天线、贴片天线、测试吸收率装置和端射波导天线阵。在信号完整性分析中的应用包括低压差分信号差分线模型和非理性接地面模型。在电磁兼容中的应用包括屏蔽体模型和散热片模型。
本书编写时参考了大量的资料,同时还结合作者大量实际分析案例进行讲解,层层深入到HFSS的高级应用。全书编写时,采用大量的图片,方便读者更快的掌握HFSS的使用方法,本书的光盘配套有全书的所有例子,方便读者学习。
本书适合有志于从事微波、天线设计工作的读者使用,可作为初学HFSS的入门教材。
内页插图
目录
前言
第1章 微波理论基础
1.1 电磁场基本理论
1.1.1 麦克斯韦方程组
1.1.2 时谐场的麦克斯韦方程组
1.1.3 波动方程及其边界条件
1.2 微波电路基本理论
1.2.1 传输线理论
1.2.2 微波网络理论
1.2.3 平面传输线与波导传输线
1.3 天线基本理论
1.3.1 电磁波的传播
1.3.2 天线原理
1.3.3 电磁散射
1.4 电磁兼容问题
1.5 有限元法基本原理
1.5.1 有限元方法的原理
1.5.2 三维时谐场有限元问题
1.5.3 有限元方程组的求解
1.6 电磁内问题和外问题的不同处理
1.7 本章小结
第2章 HFSS快速上手
2.1 HFSS的特点和应用领域
2.2 HFSS与其他软件的协同作业
2.3 熟悉HFSS工作环境
2.3.1 菜单栏
2.3.2 工具栏
2.3.3 状态栏
2.3.4 Project Manager窗口
2.3.5 Properties窗口
2.3.6 进度窗口
2.3.7 信息管理窗口
2.3.8 3D模型窗口
2.4 参数化建模
2.4.1 模型编辑器用户界面
2.4.2 网格平面
2.4.3 活动光标
2.4.4 创建并查看简单结构
2.4.5 画图概述
2.4.6 选择之前定义的形状
2.4.7 改变视角
2.4.8 应用结构的转换
2.4.9 通过布尔运算组合物体
2.4.10 局部坐标系统
2.4.11 几何参数
2.5 魔T设计快速上手实例
2.5.1 Ansofi HFSS设计环境
2.5.2 启动Ansofi HFSS
2.5.3 设置工具选项
2.5.4 如何打开一个新工程
2.5.5 如何设置解决方案类型(Set Solution Type)
2.5.6 建立3D模型
2.5.7 建立波导端口激励
2.5.8 边界显示
2.5.9 分析设置
2.5.10 保存工程
2.5.11 分析
2.5.12 生成报表
2.6 本章小结
第3章 HFSS仿真分析基础
3.1 边界条件设置
3.1.1 背景
3.1.2 理想导体边界
3.1.3 理想磁边界
3.1.4 辐射边界
3.1.5 理想匹配层(Perfect Match Laver)
3.1.6 有限导体边界
3.1.7 阻抗边界
3.1.8 对称边界
3.1.9 主从边界
3.1.10 集总RLC边界
3.1.11 分层阻抗边界
3.1.12 无限大地平面
3.2 激励设置
3.2.1 波端口
3.2.2 波端口激励
3.2.3 集总端口激励
3.2.4 差分对激励
3.2.5 磁偏置源激励
3.2.6 照射波激励
3.3 材料设置
3.3.1 相对磁导率
3.3.2 相对介电常数
3.3.3 电导率
3.3.4 介质损耗角正切
3.3.5 磁损耗角正切
3.3.6 各向异性材料
3.4 求解设置
3.4.1 输入输出端口的处理
3.4.2 自适应分析过程
3.4.3 单个频率的解和扫频解
3.4.4 HFSS中求解方法的类型
3.4.5 电磁场矢量的求解
3.4.6 特性阻抗的计算
3.4.7 阻抗乘法器的使用
3.5 网格设定
3.5.1 手动设置网格
3.5.2 表面近似设置
3.6 优化计算功能
3.6.1 优化方法
3.6.2 优化变量和设计空间
3.6.3 目标函数
3.6.4 线性约束
3.6.5 目标权值
3.6.6 优化计算中的步长
3.6.7 敏感性分析
3.6.8 调谐分析
3.7 本章小结
第4章 微波电路仿真分析
4.1 微带低通滤波器设计
4.1.1 基本原理
4.1.2 问题描述和分析思路
4.1.3 参数设定
4.1.4 创建三维模型
4.1.5 设置分析
4.1.6 计算结果的评价
4.2 SIR微带带通滤波器设计
4.2.1 基本原理
4.2.2 问题描述和分析思路
4.2.3 参数设定
4.2.4 创建三维模型
4.2.5 设置分析
4.2.6 计算结果的评价
4.3 微带带阻滤波器设计
4.3.1 基本原理
4.3.2 问题描述和分析思路
4.3.3 参数设定
4.3.4 创建三维模型
4.3.5 分析设置
4.3.6 计算结果的评价
4.4 介质谐振器设计
4.4.1 基本原理
4.4.2 问题描述和分析思路
4.4.3 参数设定
4.4.4 创建三维模型
4.4.5 设置分析
4.4.6 计算结果的评价
4.5 微波宽带功分器设计
4.5.1 基本原理
4.5.2 问题描述和分析思路
4.5.3 参数设定
4.5.4 创建三维模型
4.5.5 设置分析
4.5.6 计算结果的评价
4.6 微带耦合器设计
4.6.1 基本原理
4.6.2 问题描述和分析思路
4.6.3 参数设定
4.6.4 创建3D模型
4.6.5 设置分析
4.6.6 计算结果的评价
4.7 本章小结
第5章 天线仿真分析
5.1 对称振子天线
5.1.1 基本原理
5.1.2 问题描述和分析思路
5.1.3 参数设定
5.1.4 建立3D模型
5.1.5 设置分析
5.1.6 计算结果的评价
5.2 喇叭天线
5.2.1 基本原理
5.2.2 问题描述和分析思路
5.2.3 参数设定
5.2.4 建立3D模型
5.2.5 设置分析
5.2.6 计算结果的评价
5.3 微带贴片天线
5.3.1 基本原理
5.3.2 问题描述和分析思路
5.3.3 参数设定
5.3.4 建立3D模型
5.3.5 设置分析
5.3.6 计算结果的评价
5.4 吸收率测试模型
5.4.1 基本原理
5.4.2 问题描述和分析思路
5.4.3 参数设定
5.4.4 创建3D模型
5.4.5 设置分析
5.4.6 计算结果的评价
5.5 端射波导天线阵
5.5.1 基本原理
5.5.2 问题描述和分析思路
5.5.3 参数设定
5.5.4 创建3D模型
5.5.5 设置分析
5.5.6 计算结果的评价
5.6 本章小结
第6章 HFSS信号完整性分析
6.1 低压差分信号(LVDS)差分线
6.1.1 基本原理
6.1.2 问题描述和分析思路
6.1.3 参数设定
6.1.4 创建三维模型
6.1.5 设置分析
6.1.6 计算结果的评价
6.2 非理想接地面
6.2.1 基本原理
6.2.2 问题描述和分析思路
6.2.3 参数设定
6.2.4 创建三维模型
6.2.5 设置分析
6.2.6 计算结果的评价
6.3 本章小结
第7章 HFSS在电磁兼容中的应用
7.1 屏蔽体
7.1.1 基本原理
7.1.2 问题描述和分析思路
7.1.3 参数设定
7.1.4 创建三维模型
7.1.5 设置分析
7.1.6 计算结果的评价
7.2 散热片
7.2.1 基本原理
7.2.2 问题分析
7.2.3 参数设置
7.2.4 创建三维模型
7.2.5 设置分析
7.2.6 计算结果的评价
7.3 本章小结
第8章 HFSS分析技巧
8.1 求解模式的区别
8.2 关于求解的设置
8.3 HFSS建模规则
8.4 HFSS建模需知
参考文献
精彩书摘
电磁场理论是解决一切微波、射频问题的基础。本章首先介绍电磁场基本理论,着重介绍麦克斯韦方程组,然后介绍微波电路中的传输线理论及微波网络理论,天线基本理论,基本的电磁兼容原理,有限元法。本章要点:电磁场基本理论微波电路基本理论天线基本理论电磁兼容问题有限元法基本原理电磁内问题和外问题的不同处理。
1.1电磁场基本理论
传统上,微波或射频指的是300MHz~3000GHz频率范围内的电磁波。事实上,目前射频工程师的研究对象已从数百赫兹一直延伸到光学波段,其应用领域有雷达、通信、射电天文、生物电磁学、电磁能应用及环保科学。无论在哪个应用领域,射频工程师需要解决的核心工程问题都是一定边界条件和激励条件下Maxwell(麦克斯韦)方程组的求解问题。本章中简要给出射频工程涉及到的基本电磁场知识。
1.1.1麦克斯韦方程组
电磁波的运动规律遵从19世纪给出的麦克斯韦方程组,是英国科学家麦克斯韦对法拉第(Faraday)等前人的实验成果的总结和发展。麦克斯韦方程组是描述宏观电磁场规律的基本方程。
前言/序言
HFSS广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域。它具备仿真精度高,可靠性强,仿真速度快,稳定成熟的特点,其自适应网格剖分技术使HFSS成为高频结构设计的首选工具和行业标准。利用HFSS工具可以高效地设计各种高频结构,包括射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩,高速互连结构、电真空器件,可用于研究目标特性和系统/部件的电磁兼容/电磁干扰特性,从而降低设计成本,减少设计周期,增强竞争力。
本书主要讲解在HFSS中建立微波电路分析和天线仿真分析,然后简要讲述HFSS在信号完整性分析和电磁兼容中的应用。微波电路分析的类型包括魔T、微带低通滤波器、SIR微带带通滤波器、微带带阻滤波器、介质谐振器、微带耦合器等。天线仿真分析的类型包括对称振子天线、喇叭天线、贴片天线、测试吸收率装置和端射波导天线阵。在信号完整性分析中的应用包括低压差分信号差分线模型和非理想接地面模型。在电磁兼容中的应用包括屏蔽体模型和散热片模型。
本书适合有志于从事微波、天线设计工作的读者使用,可作为初学HFSS的入门教材。全书编写时,采用大量的图片,方便读者更快地掌握HFSS的使用方法,本书的光盘配套有全书的所有例子,方便读者学习。
本书共8章,第1章简要回顾了微波的相关理论,主要包括电磁场基本理论、微波电路理论和天线理论,然后讲述HFSS软件采用的算法——有限元法的基本原理。第2章主要讲解HFSS软件的特点和工作界面,然后通过微波电路中的一个简单器件——魔T,讲述HFSS的建模、分析和查看结果的方法。第3章主要讲解使用:HFSS进行建模和分析时依据的原理,如边界条件、激励、材料设置、求解设置、网格设定,最后讲解HFSS进行优化设计时依据的算法和优化判定条件。第4章主要讲解如何使用HFSS进行微波电路仿真分析,主要讲解微带低通滤波器、SIR微带带通滤波器、微带带阻滤波器、介质谐振器、微波宽带功分器和微带耦合器。第5章主要讲解如何使用HFSS进行天线建模和仿真分析,主要讲解对称振子天线、喇叭天线、贴片天线、测试吸收率装置和端射波导天线阵。第6章主要讲解:HFSS在信号完整性分析中的应用,主要讲解低压差分信号差分线模型和非理想接地面模型。第7章主要讲解HFSS在电磁兼容中的应用,主要讲解屏蔽体模型和散热片模型。第8章首先讲解。HFSS中三种激励的区别以及三种求解算法的区别,然后讲解HFSS建模时的一些有用的规则,最后给出微波器件建模时的一些设计技巧,使读者能更快更好地建立微波器件模型。
磁场仿真与电磁场理论深度解析 本书聚焦于现代电磁场理论的核心概念、先进的数值仿真技术及其在工程领域的广泛应用,旨在为读者构建一个坚实、全面的电磁学知识体系。 本书内容不涉及特定软件(如 Ansoft HFSS)的操作指南或特定应用案例的详细步骤,而是着重于阐述背后的物理原理、数学模型以及跨领域解决复杂电磁问题的通用方法论。 本书共分为五个主要部分,系统地涵盖了从基础理论到高级应用的多个层面。 --- 第一部分:电磁场理论的数学基础与物理图像 本部分是理解一切电磁现象的基石。我们首先回顾了麦克斯韦方程组的微分和积分形式,并深入探讨了它们在不同介质和边界条件下的适用性。 1. 矢量分析与坐标系变换: 详细讲解了梯度、散度、旋度的物理意义,并着重分析了直角坐标系、柱坐标系和球坐标系下的矢量运算,为后续场的表达和求解奠定数学工具基础。 2. 静电场与静磁场: 探讨了库仑定律、高斯定理、安培定律、毕奥-萨伐尔定律。特别关注了有源和无源区域的电势和磁势的求解方法,如拉普拉斯方程和泊松方程的解析解法,包括分离变量法和什瓦茨-克里斯托费尔变换在特定几何结构中的应用。我们细致分析了导体、电介质和磁性材料的边界条件对场分布的决定性影响。 3. 时变场与电磁波传播: 引入时间依赖性,导出了非均匀、各向异性介质中的波动方程。本章深入分析了平面波在理想导体、电介质和具有损耗的介质中的反射、折射(基于菲涅耳公式),并详细推导了坡印廷矢量,以量化电磁场的能量传输特性。对于导引波现象(如波导),我们从截止频率、传输模式(TEM、TE、TM)的场分量推导入手,解释了能量如何在结构中有效传输。 --- 第二部分:电磁场数值求解方法导论 本部分将读者的视角从解析解转向数值近似,这是处理复杂几何和材料特性的关键步骤。 1. 有限差分法(FDM): 阐述了如何将偏微分方程(如拉普拉斯方程)离散化到网格上。重点讨论了前向差分、后向差分和中心差分的精度与稳定性。对于时域问题,我们详细分析了交错网格(Yee 算法)在时间步进中的优势,以及处理吸收边界条件(ABC)的基本思想。 2. 边界元法(BEM)的原理: BEM 以其仅需在边界上离散化的特点,成为处理无限大空间问题和均匀介质内部求解的有力工具。本章讲解了格林函数在 BEM 中的核心作用,以及如何通过边界积分方程来代替求解整个区域的方程,强调了其在处理辐射问题时的效率。 3. 变分法与伽辽金法: 从能量最小化的角度审视电磁问题。变分法提供了另一种将偏微分方程转化为代数方程组的视角。我们随后深入到伽辽金有限元法的基本框架,解释了形函数(插值函数)的选择、刚度矩阵(Stiffness Matrix)的构建过程,以及如何处理非自洽的边界条件。 --- 第三部分:电磁场仿真的高级技术与收敛性分析 本部分侧重于提升仿真结果的准确性、稳定性和效率,这是从“能算”到“算准”的关键飞跃。 1. 网格剖分与自适应技术: 深入探讨了高质量网格的特征,如网格形状(三角形、四面体、六面体)对解的准确性的影响。详细分析了边界层网格的生成策略,以及如何利用误差估计指标(如残差分析或对偶解法)来实现自适应网格细化(h-refinement 和 p-refinement),以最少的计算资源达到预定精度。 2. 边界条件的精确建模: 区别和比较了理想导体、阻抗边界、周期性边界以及更复杂的吸收边界条件(如 PML, Perfectly Matched Layer)。PML 理论被详细剖析,解释了其如何通过引入复坐标变换来模拟吸收率随深度指数衰减的特性,从而有效消除辐射边界的反射。 3. 求解器的稳定性和收敛性: 分析了直接求解器(如 LU 分解)和迭代求解器(如共轭梯度法、GMRES)的适用场景和计算复杂度。讨论了预条件子(Preconditioner)的选择如何显著加速大型稀疏矩阵系统的收敛速度。 --- 第四部分:多物理场耦合问题的理论框架 现代工程问题往往涉及电磁场与其他物理场(如热、力学)的相互作用。本部分提供了耦合分析的理论基础。 1. 电磁-热耦合分析: 探讨了焦耳热效应($J cdot E$ 损耗)如何作为热源项输入到传热方程中。本章着重于顺序耦合和完全耦合的流程,以及如何处理材料参数(如电导率)随温度变化的非线性反馈效应。 2. 电磁-结构耦合(机电耦合): 关注洛伦兹力($J imes B$)对机械结构的动态影响。讲解了如何从电磁场解中提取应力、应变分布,并将其反馈到结构力学求解器中,特别是在高频大功率设备中进行振动和疲劳分析的必要性。 3. 介质特性与非线性效应: 分析了材料在高场强下可能出现的非线性现象,如介质的电导率或磁导率依赖于电场强度或磁通密度的变化,这要求使用时间步进算法和更复杂的本构关系。 --- 第五部分:应用领域的通用方法论探讨 本部分将理论和方法应用于通用问题类型,而非具体产品设计。 1. 辐射与散射问题分析的通用流程: 探讨了远场、近场区域的定义与转换,特别是利用菲涅耳衍射理论和几何光学原理对大尺度散射问题的近似处理。重点在于如何高效地设置吸收边界以准确捕捉辐射能量。 2. 互易性原理与灵敏度分析: 详细阐述了洛伦兹互易性原理在电磁场分析中的重要性,它如何用于简化某些双端口网络或接收天线分析。此外,讲解了灵敏度分析的基本概念,即确定系统输出对输入参数微小变化的响应,这对于优化设计至关重要。 3. 系统的S参数与网络分析基础: 从场量到网络参数的桥梁。解释了如何通过求解不同端口激励下的散射场,导出 S 参数矩阵,并讨论了矩阵的物理意义(反射系数、传输系数)及其在系统级分析中的作用。 --- 本书适合具有扎实的微积分、线性代数和基础电磁学背景的电子工程、物理学、材料科学领域的研究人员、高年级本科生及研究生。它提供的是“为什么”和“如何构造”的深刻理解,而非特定软件的“点按指南”。通过掌握这些通用方法,读者将能独立应对任何新兴电磁仿真工具和未知领域的挑战。