HFSS和Designer协同仿真设计实例-Iris波导滤波器设计 - HFSS教程
HFSS和Designer协同仿真设计实例-Iris波导滤波器设计
HFSS和Designer协同仿真设计实例-Iris波导滤波器设计
端口设置：
i. 使用波端口（waveports）
ii. 仅求解一个模式 ( 主模)
iii. 在每个基本单元的两个端口上都定义积分线，这样可以避免求解出的电 场相位有180 度的相差；
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iv.& 这样一来，在每个端口处都只求解主模；我们知道在波导内部，IRIS 的存在会产生高次模（消逝模式）；然而，这些模式会迅速呈指数衰减，当波端口距离iris 足够远时，这些高次模还没反射到端口处就已经衰耗到很小的数量级（通常小于-20dB 时，高次模可被忽略不计），工程上可忽略不计； 在IRIS 基本单元中，我们可以设置波导长为2*a，a 为波导截面的宽；
v. 在这个例子中，我们把波导壁简化为理想导体，可无需画出波导壁，HFSS 会默认仿真物体与背景交界的面为PEC，这将不考虑金属损耗；
vi. 如果结构中存在两个放置很近的 IRIS，这种情况下可能除了主模以外的少数几个高次模在到达波端口之前还没有得到很好的衰减，那么你需要将两个IRIS 一并当作一个基本单元在HFSS 中仿真。
2) 建立 HFSS 与Ansoft Designer 间的动态链接
当对HFSS 中的基本单元求解和参数化扫描完成后，就可以着手建立HFSS 到Ansoft Designer 的动态链接了。
在Ansoft Designer 中插入一个电路设计，Project & insert circuit design，Layout technology 选择none。
我们现插入IRIS 基本单元，下图为IRIS 基本单元的HFSS project。
如下图所示，在project manager 中，右键 circuit ，插入一个HFSS 子电路。这样HFSS 中的设计会以N 端口元件的形式插入到Ansoft Designer 的电路设计中来。
接着，你会看到一个动态连接设置的窗口 Dynamic NPort import。
File栏，通过路径查找选中需要链接进来的 HFSS 基本单元 project；
Design栏，用来选择具体是哪个design，因为一个HFSS project 中可以同时管理多个design，（Tips：我们可以将所有 HFSS 基本单元的设计都存放在一个HFSS project 下，然后给每个基本单元的设计做不同的命名，这样便于查找）；
Solution栏，当一个design 中包含多个求解设置（solution setup）时（比如分多个频段求解），在这里可以选择某一个求解及扫频设置。具体选择哪一个要根据你在Ansoft Designer 中需要做的频率扫描范围而定。
选择interpolate existing solutions，当Designer 的求解涉及到 HFSS 的仿真结果以外的值时，（如linear network analysis 中的扫频点，或在Designer 中进行优化时的优化变量值），Designer 会根据插值算法计算出缺少的数据，这个功能在进行扫频和优化时极为有用。否则，也可以选择&simulate missing solutions&，这样当遇到没有求解数据的时候，HFSS 的求解引擎会被自动的唤起进行求解。
插值算法还包含一些高级设置－&advanced setting&，提供根据不同的曲线特征选 择相应插值算法的功能。关于这部分的细节就不在这里赘述了，感兴趣的设计者可参考online help 中的相关内容；否则，按照默认设置即可。
&Information&中，给出了pin 脚数目的信息等，一般与HFSS 中的端口数目一致。
&Parameter&中可以看到所有 HFSS 中定义的变量，它们能够被乖乖地传递到 Ansoft Designer 中，用做优化。
另一种基本单元如图2 (c) 所示为一端空波导，它可用来调节相邻IRIS 之间的间隔。我们可以利用两种方法来实现这段空波导。第一种方法大家都能想到，就是做一个两端口波导，然后将波导的长度进行参数化扫描，作为Designer 中优化的基础数据，这里就不再赘述了。
我们这里重点介绍一种更方便快捷的方法：利用&transmission line model&来方便 的链接进一端均匀传输线。当 HFSS 的设计被链接到 Ansoft Designer 时，除了端口的特性阻抗外，端口模式的传播系数（包含衰耗和相移因子）也都会被传递到 Designer。 对于均匀传输线，在 HFSS 中只需设置一个端口，Designer 便会根据这个端口的特性 阻抗和波传播系数计算出不同长度情况下的传输线 S 参数。在这个过程中，仅仅是不断的调用 HFSS 的后处理引擎，无需重新求解，因此速度非常快。
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ADS、HFSS、CST 优缺点和应用范围
射频工程师初学者常会问：我应该学习那种仿真工具呢?从哪个入手更简单一点儿?我想这个不能用学习的难易程度来决定学习哪一个，而是应该根据自己的专业领域和正在研究的项目内容来决定。下面综合工程师的建议总结一下，希望对大家有所帮助。
一、HFSS 与 ADS比较：
1、ADS主要用来仿真电路(比如：电路、RFIC、通信电路)，HFSS主要用来仿真器件(比如：、天线等等);
1、先说大的方向，如果你做电路，建议ADS。如果天线、微波无源器件等建议HFSS或CST。
2、从仿真结果来看，HFSS是计算电硫场结果一般是可靠的，ADS是计算电路或者两维半可以参考。
3、从性质来看，ADS不能仿三维，适用于微波高速电路的设计，对于这种平面电路的仿真一般都是2.5维的，HFSS适用于三维分析;
4、从微波器件有源无源性来说，HFSS不能仿有源器件，但是ADS可以仿真有源器件;
二、CST 与 HFSS比较：
1、CST是基于FDID(时域有限积分法)求解算法的仿真器，适合仿真宽带频谱结果，因为只需要输入一个时域脉冲就可以覆盖宽频带。
HFSS是基于FEM(有限元法)求解算法的仿真器，适合仿真三维复杂结果，但是电长度较小。
建议是，在VHF的UWB使用CST设计优化天线，然后再到HFSS中去细化和确认。
2、从运行速度比较：CST速度要快，HFSS就差强人意了，CST资源利用要高，HFSS太耗资源了，而且HFSS有点伤硬盘，它有太多的临时文件要存到硬盘上;
3、从仿真精度比较：CST精度不如HFSS,仿真电小物体HFSS更精确,CST对电大物体较好(hfss仿辐射器比较精确,cst仿滤波器比较好);
4、从仿真宽度比较：带宽宽的话，cst比较方便。hfss仿宽带需要分段，速度相对较慢;
5、HFSS 是闭场比较准，而CST 开场比较准
6、CST的画图比ADS方便。和HFSS相比，感觉HFSS如果作天线方面的仿真还是还是比较好的。如果要结合电路进行系统仿真的话，将ADS和CST结合起来进行。
三、综合比较
CST是基于FDID求解算法的仿真器，适合仿真宽带频谱结果，因为只需要输入一个时域脉冲就可以覆盖宽频带。
HFSS是基于FEM(有限元法)求解算法的仿真器，适合仿真三维复杂结果，但是电长度较小。
ADS内含momentum (基于第三种经典算法-矩量法)，是一种对第三维度进行简化的仿真器，非常适合仿真第三维度上均匀变化的结构，例如 电路多层板，如PCB，陶瓷等电路板，常见无源电路，如滤波器等结构。仿真速度极快，同时保证和HFSS相同的精度。因此作为板级和IC级电路设计 师，ADS momentum是最好的仿真工具，其效率远炒股HFSS和CST。但是如果要仿真天线，键合线等第三维度上非均匀延展的结构，就需要全波三维求解器。
安捷伦推出了其基于有限元算法的仿真器--EMDS，并且和嵌入到ADS中，使用后感觉非常好，完全解决了业界最好的路仿真软件ADS与全波三维仿真器之间的连接。Ansoft 的HFSS已经不再是有限元的唯一选择了。
安捷伦同时也推出了基于有限时域差分法的工具AMDS，可以做天线仿真，因为听说是收购来的，所以技术也非常成熟，同时听说也能跟ADS连接，我拿了一个试用版用了一下，收购的东西果然是成熟啊，CST也不再是唯一选择。
总之，对于三维来说，没有最好的工具，只有用户根据实际需要做的东西去选择一个最合适自己的工具，那才是最好的工具。
1、混合设计，PCB板级设计，无源板级器件设计，RFIC/MMIC设计：ADS+
2、天线设计：首推 Agilent AMDS ，CAD导入，建模很方便，CST备选;
3、微波腔体，，微波转接头，波导滤波器等设计：Agilent EMDS HFSS，有限元法的最佳发挥场所;
永远没有最佳的三维工具，只有针对你自己的产品的最佳工具， 深刻了解工具的原理，深刻了解自己所开发产品的特性，是做好工作的第一步。
工具就象螺丝刀，十字螺丝刀跟一字螺丝刀本身没法比较，但是当你家的电器上用的是一字螺丝的时候，哪怕十字螺丝刀是用钻石做的都没用
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超宽频带波导同轴转换的设计和HFSS仿真
[导读] 本文主要针对常用频段波导类微波器件实际调试和测试的工程需要，设计出结构简单、加工方便、 调试容易，并能覆盖较宽频带的探针激励形式波导同轴转换，该种形式的WCC 现已覆盖BJ32、BJ48 等标准矩形波导口径，带宽均已达到40%以上，并在上述波导口径所覆盖的全频带内获得优良的电气性能。
在一个系统中，有时难免会出现两种不同类型的传输线，例如既有同轴线又有矩形波导，或既有同轴线又有微带线，把两种不同类型传输线连接起来的微 波元件称为激励器或转换器。由于激励器或转换器直接影响整个系统的性能，故而研究此类元件从而提高它们的性能显得十分重要[1]。然而激励器或转换器边界 条件十分复杂，要严格地进行理论分析十分困难，只有极少数结构较为规则的激励器可作定量分析，传统的研究方法主要依赖试验测定 和调节，设计周期较长，因此选择行之有效的仿真工具可大大提高设计效率。 为了满足工程需要，本文的波导同轴转换选用探针激励形式。根据现有的探针激励形式的波导同轴转换研究理论，结合以往的工程经验，利用Ansoft 公司的HFSS 软件进行仿真设计与优化，获得了优良的工作性能。这种波导同轴转换的带宽可以达到40%以上，基本 可以覆盖波导口径所对应的主模可用频带。
2.波导同轴转换设计与测试
2.1 波导同轴转换基本原理
常用波导同轴转换采用探针激励来实现，它的输出是通过作为同轴线内导体的细圆柱(即探针)插入矩形波导的宽壁来激励主模TE10 波的。在这种装置中，探针两边都将激励起电磁波，因此要很好的选择短路面的位置来使同轴线与波导之间很好的匹配。值得注意的是，金属探针还会激励起不少其 它的模式，如TE11、TE01、TE12、TM11、TM12 等，但只要选择合适的波导尺寸，使得& g(其它模式)& & &&g(TE10)，就能使其它高次模在靠近激励装置的附近就衰减了。一般情况下，根据传输功率的大小，所要求的频带宽度等激励装置都由经验确定。 激励装置应与波导很好的匹配，使大部分能量都传入波导。习惯上我们将探针作为一小天线向矩形波导辐射能量。波导同轴转换除了要求激励所需模式外还要 求输出最大功率，使激励装置与波导匹配，波导中不存在反射。探针天线向波导内辐射功率的大小，通常用探针的辐射电阻R 来表示，可以写成
可从上述(1)式中明显地看出：适当地选择探针的长度d和短路位置l 就能使辐射电阻R等于同轴线的等效阻抗Ze，这样就能保证同轴线探针的功率大部分传输到矩形波导中去。
2.2 分析与设计
在以往工程实践中可采用在探针上添加介质套、加粗探针顶端部分的方式来实现阻抗匹配和展宽带宽的目的。本文在设计中采用探针馈电的基本方式，结合既有的理论分析，参考以往工程实践经验，同时采用上述两种措施来进行设计。
由于探针在波导中相当于一个小天线，向四周辐射能量。其位置按耦合匹配要求而定， 比如，在电场波腹处，即宽边a 的中间，使得耦合最强。对于TE10波型，可将探针置于波导宽壁的中心线处。
若探针位于波导宽壁的中心线处，探针到波导短路位置的距离l 可取为& g0/4 (&g 0是对应于中心频率的波导波长)。在实际的结构中，经过仿真调试，确定l 的选取在该长度附近。为了实现匹配，在探针上添加一个介质套，所用的材料选择工程上常用的Teflon (&r =2.1)，这样可以有效的降低波导的等效阻抗，并能较少对频率的敏感性，从而达到改善匹配和展宽带宽的目的。
对于测试附件而言，要求在尽可能宽的频带内具有良好的电气性能。而若想扩宽波导同轴转换的频带，有效的抑制探针所激励出的高次模是非常重要的。除所 需的主模TE10 模之外，探针能激励起沿波导宽边具有奇数次电场变化的波，因此需要选择合适的波导尺寸，使得高次模得以衰减。由于介质套的引入与探针顶端部分加粗的影响， 容易在设计频带的高端频点产生TE11/TM11两种高次模。这两种高次模的截止波长& c 均与矩形波导窄壁的内尺寸b 有关，[4]可以通过减小b 尺寸来降低高次模的截止波长，同时要保证探针到标准波导口面有一定距离(经过仿真验证该距离至少为&g /4 )，从而使高次模得到衰减，实现扩宽频带的目的。
2.3 建模与仿真
使用HFSS，建立模型，并进行仿真计算。完整的仿真模型如图1 所示，仿真结果如图2 与图3 所示：
图1 波导同轴转换仿真模型
图2 BJ120口径波导同轴转换仿真结果 图3 BJ40口径波导同轴转换仿真结果
BJ40 波导同轴转换频段为3.4GHz～4.8GHz，仿真得到回波损耗优于-31dB;BJ120 波导同轴转换频段为 9.5GHz～15GHz，仿真得到回波损耗优于-25.5dB。 还可以采用使探针偏离波导宽壁中心的方式，减少对频带的敏感性，以便达到展宽频带的目的。目前采用此种偏心方式，经过仿真已能覆盖BJ32、BJ48 等常用矩形波导口径对应的主模工作频段，回波损耗优于-28dB。 采用偏心馈电方式的波导同轴转换如图4所示：
图4 偏心波导同轴转换仿真模型
仿真结果如下图：
图5 偏馈形式 BJ32 口径波导同轴转换仿真结果 图6 偏馈形式BJ48 口径波导同轴转换仿真结果
BJ32 波导同轴转换工作频段为2.6GHz～4.0GHz，仿真得到回波损耗优于-28dB;BJ48 波导同轴转换频段为 3.5GHz～6.0GHz，仿真得到回波损耗优于-28.5dB。
2.4 实测结果
根据设计方案制作加工了BJ40 和BJ120 两种口径的波导同轴转换，使用Agilent E8363C 矢量网络分析仪进行器件的测试，完成对仿真结果的验证。所加工的波导同轴转换实物如下图：
图7 BJ40 口径波导同轴转换实物 图8 BJ120 口径波导同轴转换实物
加工的两种波导同轴转换如图9 与图10 所示：
图9 BJ40 口径波导同轴转换测试结果 图10 BJ120 口径波导同轴转换测试结果
BJ40口径测试频段为3.4GHz～4.8GHz，测试结果优于-28dB，BJ120 口径测试频段为9.5GHz～15GHz，测试结果在绝大部分频段优于-21dB。
2.5 误差分析
从测试结果可以看出，BJ40口径的波导同轴转换实测结果与仿真曲线符合得很好，而BJ120 口径的波导同轴转换实测结果与仿真曲线有一定差别。这是由于实验用的BJ120 口波导同轴转换采用SFT-50-2-1 的半钢同轴电缆外皮作为探针加粗部分，而非专门加工制成，焊接后探针实际尺寸与仿真尺寸有一定的差异，对器件驻波特性影响较大。通过实际装配调试，可以看 出波导同轴转换的装配工艺水平会对器件的电气性能有直接影响，装配精度越高， 实测的结果与仿真结果符合度越好。工作频段越高，对器件的加工、装配工艺的精度要求越高。
本文依据现有的波导同轴转换和波导理论，结合工程实践，提出了一种能覆盖矩形波导常用口径型号的波导同轴转换，并利用HFSS 仿真软件对工程设想进行有效的设计和优化，达到了令人满意的效果。该形式波导同轴转换工作带宽基本超过40%，绝大部分频段回波损耗优于-25dB，具有良好的工作特性，并且结构简单，无需过多的组装和调试，具有很强的工程实用特性。
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