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
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第一章 序言
本讲义主要是引导学员学习使用Ansoft HFSS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. )
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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_ismantenna。
图2－2 保存HFSS项目
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二.加入一个新的HFSS设计
1．在Project菜单，点击insert HFSS Design选项。( 或直接点击
程被加入到hfopt_ismantenna项目中，默认名为HFSSModeln。
图标。)一个新的工
图2－3 加入新的HFSS设计
2． 为设计重命名。在项目树中选中HFSSModel1,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
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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 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
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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Draw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
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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；
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按下shift键后，移动鼠标，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。
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图3－7 设置长方形的各项属性
图3－8 绘出groundplane后的视窗
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7. 重复上述画长方形的步骤绘出长方形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,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
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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
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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3－14 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
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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
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图3－18 绘出port后的局部视窗
15．从groundplane中割去port。
在操作历史树中利用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。
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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=0mm)。
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
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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3－26 设置多边形的各项属性
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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。
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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
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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。
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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
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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Position，把原来的-45,-45,0改为glaneStart,glaneStart,0；
图3－37 在goundplane的command 页修改Position
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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;
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XSize : 45mm-> subSize; YSize : 45mm-> subSize; ZSize : 5mm-> subHeight.
图3－40 修改完毕后的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: 8mm;
Position: 0 mm, 8mm , 0mm -> 0mm , FeedLocation , 0mm;
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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，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。
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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, ChamSize,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];
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图3－46修改Chamcut1的位移矢量
8． 建立变量之间的关系。
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。
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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feed；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
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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
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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
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Line)下的None选项并下拉，选择New Line，会出现Create Line 消息框。按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），输入起始点坐标(x=0mm,9.5mm,0mm), 按下Enter键后输入激励源矢量（dx=0mm,dy=-1mm,dz=0mm）。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标
图3－55 为端口设置激励类型
图3－56—1
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图3－56—2
图3－56—3
图3－56—4
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图3－56—5
图3－56 设置port1激励源的步骤
至此边界条件和激励源已分配完毕。
五.设置求解条件
在Project工作区选中Analysis项，点击鼠标右键，选择Add Solution Setup。
图3－57 在project区设置求解条件
这时会系统会弹出求解设置对话框，我们把参数设为： 点频为2.45GHz, 最大迭带次数10，最大误差0.001
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图3－58 设置求解条件
在点频基础上进行扫频设定。在project工作区中点开Analysis前的“＋”号，选中点频设置Setup1；点击鼠标右键，选择Add Sweep 项。
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图3－59 在project区设置扫频条件
确定扫频方式为Fast,起始频率为2GHz,终止频率3GHz,分为20份；保留场。
图3－60 设置扫频条件
将求解的条件设好后，
我们来看看HFSS的前期工作是否完成，在HFSS菜单下，点击validation check。
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（或直接点击图标）
图3－61 通过菜单进行验证操作
图3－62 通过验证
再次选中Project工作区的Analysis；点击鼠标右键，选中Analyze即可开始求解。 （或直接点击
图标）
图3－63 对问题进行分析
当求解过程结束后，在Message Manager窗口会有相应的提示。
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第四章 优化
本章中你的目标是：
√Parametric求解。 √优化求解
时间：完成这章的内容总共大约要20分钟。
一. Parametric求解
1．选择Project工作区的Optimetrics,点击鼠标右键，选择Add项进而选择Paramtric项。或直接点击
图标。
图4－1 在project工作区设置Parametric
此时HFSS系统会弹出变量扫频对话框。
图4－2 添加Parametric变量
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2．点击Add按钮，我们来添加ChameSize和PatchSize两个变量。 首先点击Variable向下三角选择ChamSize， 接着选中Linear count（线性变化）；Start设为5mm,Stop设为7mm；Count为3; 最后点击Add按钮添加变量。 同样选中PatchSize;
接着选中Linear count（线性变化）；Start设为31mm,Stop设为33mm；Count为3。 最后点击Add按钮添加变量。 点击OK后返回。
图4－3 添加ChameSize变量
图4－4添加 PatchSize变量
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3．点击Table页，这里显示了我们刚才设置变量的9种组合选择。
图4－5 变量的组合选择
4．下面我们来定义几个输出变量。
点击Calulations页，点击Add按钮，选择Solution为Setup:LastAdaptive； 点击it Calculation按钮。
图4－6 Calulations页的操作
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此时出现Output Variables对话框；在Name项填入S11mag；在Report Type项选择 Model S Parameter；solution项选择 Setup:LastAdaptive；Category选择 S Parameter,Quantity 选择S(port1,port1),Function选择mag。点击Insert quantity Into Expression把以上所选加入表达式。最后点击Add完成加入变量的操作。
图4－7 加入输出变量S11mag
同样操作加入输出变量AxiaRatio和cost。他们的设置如下：
AxiaRatio：
Name项填入AxiaRatio；在Report Type项选择 Far Fields；solution项选择 Setup:LastAdaptive；Category选择Axia Ratio,Quantity 选择AxiaRatioValue,Function选择 cost： Name项填入cost；在Report Type项选择 Far Fields；solution项选择 Setup:LastAdaptive；Category选择Axia Ratio,Quantity 选择AxiaRatioValue,Function选择 最后点击Done后返回。 - 38 - Ansoft高级培训班教材 图4－8 加入输出变量AxiaRatio 图4－9 加入输出变量cost - 39 - Ansoft高级培训班教材 在Calculation项选择S11mag后点击确定返回。 图4－10 选择S11mag作为输出变量 5．在Project工作区选择ParametricSetup1,点击鼠标右键选择Analyze求解。 图4－11 求解 - 40 - Ansoft高级培训班教材 6．在Project工作区选择ParametricSetup1,点击鼠标右键选择View Analysis Result查看求得的 图4－12 查看求解结果 图4－13 求解结果（图形解） 图4－14求解结果（表格解） - 41 - 结果。 Ansoft高级培训班教材 二. 优化求解 1．首先我们定义几个优化变量及其范围。 在project工作区选择hfopt_ismantenna设计，点击鼠标右键选择Design Properties项。 图4－15 从project工作区更改优化变量 此时HFSS系统会弹出变量属性对话框；选择Optimization.在PatchSize右的Include打上勾，并设其最小值为30mm, 最大值为30.5mm；同样设置ChamSize设其最小值为5mm, 最大值为5.5mm。 图4－16 设置优化变量 - 42 - Ansoft高级培训班教材 2． 设一个远区辐射场。 在project工作区选择Radiation，点击鼠标右键选择Insert Far Field Setup项,选择infinite Sphere。 图4－17设置远区辐射场 此时会弹出辐射场特性对话框，我们主要关心Phi=0,Theta=0的情况。所以把接Phi的Stop设为0deg; Theta的Stop设为0deg 图4－18远区辐射场属性对话框 - 43 - Ansoft高级培训班教材 3． 设置优化函数。 选择Project工作区的Optimetrics,点击鼠标右键，选择Add项进而选择optimization项。或直接点击 图标。 图4－19 在project工作区设置optimization 此时HFSS系统会弹出optimization设置对话框。 图4－20optimization设置对话框 - 44 - Ansoft高级培训班教材 点击add按钮，添加一个优化函数。 选择Solution为Setup1:LastAdptive;calculation为cost. 图4－21选择cost为优化函数 设置Goal为[0,0];(目标函数趋近值)Weight（权值）为[1,1]；Max.No. of(最大迭代步数)为100； Acceptable(可接受误差):0.01。 图4－22设置优化目标 - 45 - Ansoft高级培训班教材 点击Viariables页，点击Advanced按钮，将 ChamSize和PatchSize的初始点为5.1mm,30.1mm。 图4－23改变变量的初始点 4． 在Project工作区选择OptimizationSetup1,点击鼠标右键选择Analyze求解。 图4－24 求解 - 46 - Ansoft高级培训班教材 7． 查看结果。 在Project工作区选择OptimizationSetup1,点击鼠标右键选择View Analysis Result查看求得的结果。由下图可知当ChamSize=5.25669395451196mm;PatchSize=30.1540923411285mm时cost（轴比趋于1）达到要求，此时点击apply键即可改变原结构，实现优化。 图4－25 查看求解结果 - 47 - 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容