1.1 HFSS简介

    HFSS 是美国 Ansoft 公司开发的全波三维电磁仿真软件，该软件采用有限元法，计算结 果准确可靠，是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。 HFSS 采用标准的 Windows 图形用户界面，简洁直观；自动化的设计流程，易学易用； 稳定成熟的自适应网格剖分技术，结果准确。使用 HFSS，用户只需要创建或导入设计模型， 指定模型材料属性，正确分配模型的边界条件和激励，准确定义求解设置，软件便可以计算 输出用户需要的设计结果。 HFSS 具有精确的场仿真器，强大的电性能分析能力和后处理功能可以用于分析、计算 并显示下列参数。

• S、Y、Z 等参数矩阵。 电压驻波比（VSWR）。
• 端口阻抗和传播常数。 电磁场分布和电流分布。
• 谐振频率、品质因数 Q。
• 天线辐射方向图和各种天线参数，如增益、方向性、波束宽度等。
• 比吸收率（SAR）。
• 雷达反射截面（RCS）。

    经过二十多年的发展，现今 HFSS 以其无与伦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、稳定成熟的自适应网格剖分技术，已经成为三维电磁仿真设计的首选 工具和行业标准，被广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域， 帮助工程师高效地设计各种微波/高频无源器件。借助于 HFSS，能够有效地降低设计成本， 缩短设计周期，增强企业的竞争力。HFSS 的具体应用包括以下 8 个方面。

    1．射频和微波无源器件设计 
    HFSS 能够快速精确地计算各种射频/微波无源器件的电磁特性，得到 S 参数、传播常数、 电磁特性，优化器件的性能指标，并进行容差分析，帮助工程师们快速完成设计并得到各类 器件的准确电磁特性，包括波导器件、滤波器、耦合器、功率分配/合成器、隔离器、腔体和 铁氧体器件等。

    2．天线、天线阵列设计 
    HFSS 可为天线和天线阵列提供全面的仿真分析和优化设计，精确仿真计算天线的各种 性能，包括二维、三维远场和近场辐射方向图、天线的方向性、增益、轴比、半功率波瓣宽 度、内部电磁场分布、天线阻抗、电压驻波比、S 参数等。

    3．高速数字信号完整性分析
    随着信号工作频率和信息传输速度的不断提高，互联结构的寄生效应对整个系统的性能 影响已经成为制约设计成功的关键因素。MMIC、RFIC 或高速数字系统需要精确的互联结构 特性分析参数抽取，HFSS 能够自动和精确地提取高速互联结构和版图寄生效应，导出 SPICE 参数模型和 Touchstone 文件（即.snp 格式文件），结合 Ansoft Designer 或其他电路仿真分析 工具去仿真瞬态现象。

    4．EMC/EMI 问题分析 
    电磁兼容和电磁干扰（EMC/EMI）问题具有随机性和多变性的特点，因此，完整的“复 现”一个实际工程中的 EMC/EMI 问题是很难做到的。Ansoft 提供的“自顶向下”的 EMC 解 决方案可以轻松地解决这个问题。HFSS 强大的场后处理功能为设计人员提供丰富的场结果。 整个空间的场分布情况可以以色标图的方式直观地显示出来，让设计人员对系统的场分布全 貌有所认识；进一步通过场计算器（Field Calculator），可以给出电场/磁场强度的最强点，并 能输出详细的场强值和坐标值。

    5．电真空器件设计 
    在电真空器件如行波管、速调管、回旋管设计中，HFSS 本征模求解器结合周期性边界 条件，能够准确地仿真分析器件的色散特性，得到归一化相速与频率的关系以及结构中的电 磁场分布，为这类器件的分析和设计提供了强有力的手段。

    6．目标特性研究和RCS 仿真 
    雷达散射截面（RCS）的分析预估一直是电磁理论研究的重要课题，当前人们对电大尺 寸复杂目标的 RCS 分析尤为关注。HFSS 中定义了平面波入射激励，结合辐射边界条件或 PML 边界条件，可以准确地分析器件的 RCS。

    7．计算SAR 
    比吸收率（SAR）是单位质量的人体组织所吸收的电磁辐射能量，SAR 的大小表明了电磁辐射对人体健康的影响程度。随着信息技术的发展，大众在享受无线通信设备带来的各种 便利之时，也日益关注无线通信终端对人体健康的影响。使用 HFSS 可以准确地计算出指定 位置的局部 SAR 和平均 SAR。

    8．光电器件仿真设计
    HFSS 的应用频率能够达到光波波段，精确仿真光电器件的特性。