HFSS与MWS简介及HFSS使用心得

1、简介
目前，国际上主流的三维高频电磁场仿真软件有德国CST公司的MicroWave Studio（微波工
作室）、美国Ansoft公司的HFSS（高频电磁场仿真），而诸如Zeland等软件则最多只能算
作2.5维的。
就目前发行的版本而言， CST的MWS的前后处理界面及操作感比HFSS好很多，然而Ansoft也
意识到了自己的缺点，在将要推出的新版本HFSS（定名为Ansoft Designer）中，界面及操
作都得到了极大的改善，完全可以和CST相比；在性能方面，2个软件各有所长，在业界每
隔一定时间就会有一次软件比赛，看看谁的软件算的快，算的准，在过去的时间里，CST和
ANSOFT成绩相差不多；价格方面，2个软件相差不多，大约在7～8万美元的水平，且都有出
国培训的安排。
值得注意的是，MWS采用的理论基础是FDTD（有限时域差分方法），所以MWS的计算是由时
域得到频域解，对于象滤波器，耦合器等主要关心带内参数的问题设计就非常适合；而HF
SS采用的理论基础是有限元方法，是一种积分方法，其解是频域的，所以HFSS是由频域到
时域，对于设计各种辐射器及求本征模问题很擅长。当然，并不是说2个软件在对方的领域
就一无是处。
由于Ansoft进入中国市场较早，所以目前国内的HFSS使用者众多，特别是在各大通信技术
研究单位、公司、高校非常普及。
2、使用心得
和大部分的大型数值分析软件相似，以有限元方法为基础的Ansoft HFSS并非是傻瓜软件，
对于绝大部分的问题来说，想要得到快速而准确的结果，必须人工作一定的干预。除了必
须十分明了模型细节外，建模者本身也最好具备一定的电磁理论基础。
作者假定阅读者使用过HFSS，因此对一些属于基本操作方面的内容并不提及。
2.1、对称的使用
对于一个具体的高频电磁场仿真问题，首先应该看看它是否可以采用对称面。这里面的约
束主要在几何对称和激励对称要求。如果一个问题的激励并不要求是可改变的，比如全部
同相馈电的阵列，此时最好采用对称，甚至可以采用2个对称（E和H对称），将可以大大节
约时间和设备资源。
2.2、面的使用
在实际问题中，有很多结构是可以使用2维面来代替的，使用2维面的好处是可以极大的减
少计算量并且结果与使用3维实体相差无几。例如计算一个微带的分支线耦合器，印制板的
微带以及地都可以指定某些面为理想电面代替，这样可以很快的获得所需要的物理尺寸及
其性能。再以计算偶极子为例，如果偶极子是以理想导体为材质的圆柱，那么相同的其他
条件下其计算时间大约是采用等效面为偶极子的4～5倍，由此可见一般。
2.3、Lump Port（集中端口）的使用
在HFSS8里提供了一种新的激励：Lump Port，这种激励避免了建立一个同轴或者波导激励
，从而在一定程度上减轻了模型量，也减少了计算时间。Lump Port也可以使用一个面来代
表，要注意的是对该Port的校准线和阻抗线的设置一定要准确，端口在空间上一定要与其
他金属（或电面）相接，否则结果极易出错。
2.4、关于辐射边界的问题
在不需要求解近（远）场问题时，比如密封在金属箱体里面的滤波器等密闭问题，无需设
置辐射边界。
在需要求解场分布或者方向图时，必须设置辐射边界。这里有些需要注意的问题：在计算
大带宽周期性结构时，比如3个倍频程，最好分段计算，例如以一个倍频程为一段，也就是
说在不同的频段计算时设置不同大小的辐射边界，否则在计算的频率边缘难以保证计算精
度；其次，辐射边界的大小和问题的具体形状密切相关，如果物体的外部轮廓可以装在一
个球或并不过分的椭球中时，宜采用立方体边界——简单有效，如果问题的外部轮廓较为
复杂或者椭球2轴差距太大，以采用相似形边界或圆柱边界，对于辐射问题，如果估计问题
的增益较低（比如2dB），那么边界宜采用球形，此时为了得到结果准确也只好牺牲时间了
；另在HFSS 8中提供了一种新的吸收边界——PML边界条件，对于这种边界，笔者并不是很
满意，尽管其有效距离为八分之一个中心波长——是老边界的一半，可以减少计算量，然
而这种边界由程序自己生成，为一个立方体的复杂结构，对于一些特殊的复杂问题，这种
边界内部有很多的空间是无用的，此时还不如使用老边界灵活。
2.5、关于开孔
有些问题需要在壁上开孔，此时可以采用2种办法，其一是老老实实的在模型上挖空；其二
是采用H/Natrue边界条件，通常，如果是在面上开孔，将会采用后者，简单，便于修改。

2.6、关于网格划分
当模型建立好了之后，进入计算模块，第一步是给问题划分网格。对于一般问题，让软件
自动划分比较省心，但对大型问题和复杂问题，让软件自己划分可能需要很好的耐性来等
待。根据实际经验，在大型模型的结构密集区域或场敏感区域使用人工划分可以得到很好
的效果，有些问题的计算结果开始表现为收敛，但进一步提高精度，却又反弹，问题就在
于开始时场敏感区域的网格划分不够仔细，导致计算结果的偏差。
2.7、关于所需要的精度
计算问题时，一般需要给定一个收敛精度和计算次数以避免程序“陷入计算而无法自拔”
，当对模型熟悉后，可以单单靠给定次数。在问题之初，建议的计算精度不要太高，实际
中曾见到有操作者将问题的S参数精度设定为0.00001，其实这是完全没有必要的，一般S参
数的精度设定为0.02左右就已经可以满足绝大部分问题的需要（此时应该注意有无收敛反
弹的情况）。如果是计算次数，对于密闭问题，建议是设定为8～12次，对于辐射问题，一
般计算6～8次左右即可观察结果，如果不够再决定是否继续计算。
2.8、关于扫描
HFSS提供一个扫描功能，分3种方式：快速、离散和插值。其中离散扫描只保留最后一个频
点的场结果，其计算时间是单个频点计算时间之和；对快速扫描，将可以得到所计算的频
率范围内的所有频率场结果，但是其计算速度和频点多少关系不大，基本和模型复杂程度
正比，有时扫描计算的时间非常长，如果不是特别需要关心所有的场情况，建议选用离散
扫描，对于特别巨大的问题，则是以快速扫描为宜。而插值方式比较少用。
2.9、关于问题的规模
HFSS所能计算的问题规模与计算机硬件关系很大，其次是所使用的操作系统。在HFSS8里，
问题描述矩阵的阶基本和网格数正比，对于四面体上10万的问题也能游刃有余（只要机器
够好），然而这并非是指实际问题的电尺寸，实际上，要精确计算一个计算机网络电缆接
头（RJ45）所需要的时间和资源并不比计算一个有一个波长电尺寸的一般辐射问题少多少
，所以实际上其计算规模的主要约束是问题的复杂程度，而复杂程度里面包含了电尺寸、
结构复杂度等要素。
由此提醒我们建模时应该尽量简化模型。一般来说，除了在激励区，当结构电尺寸比二十
分之一波长还小时，可以忽略它的存在而不会引入明显的误差，这一点在解决问题之初很
有效，可以迅速发现问题的关键；当问题的主要要求满足后，再将模型细化以获得更加精
确的结果。
以上就HFSS使用的各个方面总结了一些心得，以供大家参考，如有不当之处，请指正

不错不错。

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