hfss中文教程 414-435 介质谐振器

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HFSS FULL BOOK v10 中文翻译版 568页(原801页)

(分节 水印 免费 发布版)

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Q: 分节版内容有删减吗? A:没有,只是把完整版分开按章节发布,免费下载.带水印但不影响基本阅读.

Q: 完整版有什么优势? A:完整版会不断更新,修正,并加上心得注解.

无水印.阅读更方便.

Q: 本书结构? A: 前200页为使用介绍.接下来为实例(天线,器件,EMC,SI等).最后100页为基础综述

Q: 完整版在哪里下载? A: 微波仿真论坛( /?tid=5454

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Q: 有纸质版吗? A:有.与完整版一样,喜欢纸质版的请联系站长邮寄rfeda@ 无特别需求请用电子版

A:有专门协助团队之翻译小组.除HFSS外,还组织了ADS,FEKO的翻译.还有正在筹划中的任务!

Q: 还有其它翻译吗?

Q: 翻译工程量有多大? A:论坛40位热心会员,120天初译,60天校对.30天整理成稿. 感谢他们的付出!

Q: 只讨论仿真吗?

A:以仿真为主.微波综合社区. 论坛正在高速发展.涉及面会越来越广! 现涉及 微波|射频|仿真|通信|电子|EMC|

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Q: 特色?

A: 以技术交流为主,注重贴子质量,严禁灌水; 资料注重原创; 各个版块有专门协助团队快速解决会员问题;

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第六章 微波实例

第六节 介质谐振器

 这个例子教你如何在HFSS设计环境下创建、仿真、分析一个屏蔽的圆柱形介质谐振

器。

 介质谐振器被设计工作在给定的频率范围，并且谐振器附近的电磁场应该只有预期中特

定的几种模。然而，使用了谐振回路后，异常模频繁地干扰正常模。

 通过大量的实践能够确定存在一个给定结构中模的耗损功率、谐振器的频率、模和能量，

因此谐振器的工作和耦合情况也能够确定。

F.6.6.1

微波仿真论坛 组织翻译 第 296 页

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第六章 微波实例

一、Ansoft HFSS 设计环境

使用下面的HFSS环境特点来创建这个无源器件的模型：

1. 三维几何模型

 基本模型（Primitives）： Cylinders（圆柱体）

 变量（Variables）：Project and model variables（工程变量和模型变量）

2. 材质/边界/端口激励

 材质（Materials）：Defining custom materials（用户自定义材质）

 边界（Boundaries）： Perfect E

3. 分析设置

 参扫（Parametric sweep）

4. 结果

 本征模数据-单个模的收敛（Eigenmode Data - convergence of the

individual modes）

 绘图格式（Formatting plots）

 场：电场和磁场（E- & H-Field）

 场：在自定义的切面上绘图（Plotting on custom cut-planes）

二、设计检查

一）本例来自Tatsuo ltoh的书《微波工程的有限元软件》

"Finite Element Software for Microwave Engineering" by Tatsuo Itoh,

Giuseppe elosi and Peter P. Silvester, 1996,John Wiley & Sons ISBN

0-471-12636-5 (page 62 onwards)

二）本仿真的目的是查看介质谐振器随周围几何形状改变时，响应模如何建立。重点

考察的是介质谐振器顶部到腔体顶部距离的变化。

三）下面介绍2种可行的方法来分析这个问题：

方法1：定义一个微带传输线穿过腔体，并激励微带传输线。微带线对腔体起负载

效果，这与传输线的位置、终端等有关。因此，使用这个方法进行研究取决于反馈结构，

模式可能被遗漏。

方法2：使用本征模式（Eigenmode）计算得到圆柱形介质谐振器的自身响应。

四）根据参考书的进程，我们使用第二种方法。由于本征模算法不需要端口激励，只

要设定好几何模型和边界条件。我们只计算出现在这个结构中的前6个模。

三、模型的详细资料

微波仿真论坛 组织翻译 第 297 页

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第六章 微波实例

一）在圆柱介质中能够起振的通常表示为

TE

0,m,



，

TM

0,m,



和

HEM

n,m,



，分别为横电

模，横磁模和混合模。下标m，n和δ分别表示方位角上，径向和轴向上的波数。

二）模型的尺寸如下面的图表所示。

F.6.6.2

F.6.6.3

四、开始

一）运行Ansoft HFSS

1. 要打开Ansoft HFSS软件，点击Windows的开始菜单，选择程序，然后选中Ansoft

HFSS 10 程序组。点击HFSS 10.

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第六章 微波实例

F.6.6.4

二）设置工具选项

1. 具体操作步骤：

注：要跟着这个例子步骤做下去，先确定工具选项设置和下面的一致：

1）选择菜单项 Tool > Options > HFSS Options

2）在HFSS选项窗口：

a. 单击General属性页

勾选“创建新边界时使用向导输入数据”.（Use Wizards for data entry

when creating new boundaries）

勾选“复制几何模型边界”.（Duplicate boundaries with geometry）

b. 点击Ok按钮

F.6.6.5

3）选择菜单项 Tool > Options > 3D Modeler Options.

4）在三维模型选项窗口：

a. 单击Operation属性页

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第六章 微波实例

勾选“自动闭合多边线”（Automatically cover closed polylines）。

b. 单击Drawing属性页

勾选“编辑新原始模型的属性”（Edit property of new primitives）。也就

是画完一个形状或物体，会自动弹出它的属性框让你修改。

c. 单击OK按钮

F.6.6.6

三）新建一个工程

1. 具体操作步骤：

1）在HFSS窗口，单击标准工具栏的

，或者选择菜单项File > New.

2. 从Project菜单，选择Insert HFSS Design。

F.6.6.7

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第六章 微波实例

四）设置解决方案类型

1. 具体操作步骤：

1） 选择菜单HFSS > Solution Type

2） 在解决方案类型设置窗口：

a. 选中Eigenmode

b. 单击OK按钮

F.6.6.8

五、创建三维模型

一）设置模型单位

1. 具体操作步骤：

1）选择菜单3D Modeler > Units

2）单击OK按钮

F.6.6.9

二）设置默认材质

1. 具体操作步骤：

1）在三维模型材质工具栏上，选择Vacuum

F.6.6.10

三）创建一个空腔

微波仿真论坛 组织翻译 第 301 页

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第六章 微波实例

1. 创建圆柱体：

1） 从3D模型工具栏上选择圆柱体图标

F.6.6.11

2） 使用坐标输入框，输入中心基点坐标

X: 0.0, Y: 0.0, Z:0.0, 按Enter键结束

3） 确认在3D模型工具栏上的坐标平面设置为xy。然后在x输入框设置腔体

的半径，在z输入框设置腔体高度。注意：不能直接使用坐标输入框中的

参数。

dX:15.0, dY: 0.0, dZ:10.0,

按Enter键结束

2. 参数化腔体高度：

1） 在高度（Height）输入框填上参数名‘Hwall’

2） 单击Enter键HFSS会要你填写参数值

3） 写上‘10mm’-不要忘了写上单位!

F.6.6.12

3. 更改名字：

1） 从属性窗口选择Attribute属性页

2） 在Name栏输入：Cavity

4. 设置显示方式为Wireframe：

4） 从属性窗口选中Attribute属性页

5） 勾选“显示金属丝框架”（Display Wireframe）

6） 单击OK按钮

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第六章 微波实例

F.6.6.13

5. 设置最佳观看：

1） 选择菜单View > Fit All > Active View 或使用快捷键Ctrl+D

四）创建一个新的材质并设为置默认材质

1. 创建新材质：

1) 在三维模型材质工具栏，选择Select

F.6.6.14

2) 单击‘Add Material’按钮

3) 设置材质名为subs

4) 设置介质的介电常数ε

r

为9.6，其余为默认不变

5) 单击‘OK’

6) 增加一个名为DielRes的新材质，ε

r

=36

2. 设置默认材质：

1) 现在你可以通过选择列表中的subs并单击OK来设置默认材质

五）创建基层

1. 创建圆柱体：

1） 从3D模型工具栏上选择圆柱体图标

2） 使用坐标输入框，输入中心基点坐标

X: 0.0, Y: 0.0, Z:0.0, 按Enter键结束

3） 设置坐标平面为xy。然后在x输入框设置腔体的半径，在z输入框设置腔

体高度。

dX:15.0, dY: 0.0, dZ:-1.0, 按Enter键结束

2. 更改名字：

1） 从属性窗口选择Attribute属性页

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第六章 微波实例

2） 在Name栏输入：Substrate

3. 你现在可以设置你喜欢的颜色和透明度

F.6.6.15

六）设置默认材质

1. 具体操作步骤：

1）在3D模型材质工具栏上选择前面创建的DielRes材质

七）创建介质谐振器

1. 创建表示谐振器的圆柱体：

1） 从3D模型工具栏上选择圆柱体图标

2） 使用坐标输入框，输入中心基点坐标

X: 0.0, Y: 0.0, Z:0.0, 按Enter键结束

3） 设置坐标平面为xy。然后在x输入框设置腔体的半径，在z输入框设置腔

体高度。

dX:5.0, dY: 0.0, dZ:5.0, 按Enter键结束

2. 更改名字：

3） 从属性窗口选择Attribute属性页

4） 在Name栏输入：DielRes

3. 你现在可以设置你喜欢的颜色和透明度

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第六章 微波实例

F.6.6.16

八）设置边界条件

1. 我们已经建立了完整的模型，在分析之前唯一没做的就是设定边界条件，边界应该

应用到腔体和基层的其它部分。

2. HFSS给每个可见的模型指定默认的边界‘Perfect Electrical Conductor’（PEC）。

如果你想让谐振器嵌套在一个铝制腔体中，你可以设定边界来取代HFSS默认指定

的边界。这样做会影响谐振器的品质因素和共振模。到底有多少影响我们可以使用

本征模解算起容易地得到。

3. 但是这个例子将坚持使用HFSS默认的边界条件，因此我们把谐振器有效地封装在

理想导体腔中。

六、分析设置

一）创建一个分析设置

1. 具体操作步骤：

1) 选择菜单HFSS > Analysis Setup > Add Solution Setup

2) 在解决方案设置窗体中：

a. 单击General属性页：

 最小频率：3GHz

 模式数目：6

 最大步数：14

 频率每步最大变化：2.5%

b. 在Options属性页中：

 最小收敛步数：3

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第六章 微波实例

F.6.6.17

七、保存工程

一）具体操作步骤：

1. 在HFSS窗口，选择菜单File > Save As.

2. 在Save As对话框中，输入文件名：hfss_diel_res

3. 单击Save按钮

八、分析

一）确认模型

1. 具体操作步骤：

在执行求解之前你可以检查模型的有效性，这在运行大型仿真中非常有用。

1) 选择菜单HFSS > Validation Check

2) 单击Close按钮

注：要查看错误和警告信息，使用信息管理器。

二）执行仿真求解：

1. 选择菜单HFSS > Analyze All

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第六章 微波实例

F.6.6.18

三）计算数据

1. 查看计算后的数据：

1) 选择菜单HFSS > Results > Solution Data

a. 查看Profile（概况：内存的使用，计算的时间，剖分的四面体数目）：

 单击Profile属性页

b. 查看Convergence（收敛性）：

 单击Convergence属性页

F.6.6.19

注：收敛性的查看方式默认为表格（Table），选择绘图（Plot）选项可以通过图形方

式查看收敛性数据。

c. 查看本征模数据：

 单击Eigenmode Data属性页

微波仿真论坛 组织翻译 第 307 页

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第六章 微波实例

F.6.6.20

 你能看到这些模成对出现——它们是衰减模。在本例后面绘出的

结构内部场图中你也能看出这点。

注：要查看本征模的实时更新数据，选择Simulation：

Setup1，LastAdapitive

 单击Close按钮

2. 接下来我们通过单个模查看收敛性，而不是通过HFSS的△f百分比收敛标准来

查看。

1) 选择菜单HFSS > Results >Create Report

2) 在建立报告（Create Report）窗口：

a. 设置报告类型Report Type：Eigenmode Parameters （本征模参数）

b. 显示类型Display Type：Rectangular （直角）

c. 单击OK按钮

3) 在迹线（Traces）窗口：

a. 设置解算方案Solution：Setup1：Adaptive1

b. 单击Y属性页

c. 设置类别Category：Eigen Modes

d. Quantity：Mode（1），Mode（2），... Mode

（6）.使用CTRL键进

行多选。

e. Function：Re

f. 单击Add Trace按钮

g. 单击Done按钮

4) 下面我们设定颜色使图形曲线更清晰。

a. 双击y轴上的数字，将弹出如下对话框：

F.6.6.21

b. 单击Scaling属性页

c. 勾选‘Scientific Notation’（科学表示法）

d. 在‘Label’文本框写上‘Resonant Frequency [Hz]’

 注：要查看本征模的实时更新数据，选择Simulation：Setup1，

LastAdapitive

5) 单击Close按钮

微波仿真论坛 组织翻译 第 308 页

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第六章 微波实例

F.6.6.22（译者计算结果图）

F.6.6.23（原图）

正如你看到的那样，在第七步后HFSS得到的模的频率趋于常数。容易证明模5和6以及模

1和2实际上是同一个模。模5在第4步和第6步之间出现一点小问题是因为模5在第4步

没有描绘好。然而，由于模5是衰减模，在第4步我们可以通过画出模6的场分布图来代替

它，运用我们所学的知识知道衰减模的场是正交的。

微波仿真论坛 组织翻译 第 309 页

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第六章 微波实例

四）场覆盖图

 我们现在有机会看看HFSS计算得到的本征模。这个章节将展示HFSS拥有的几种

不同的绘图技术。

1. 创建场覆盖图：

1) 选择模型目录树下的Planes中的Global：XZ平面

2) 选择菜单HFSS > Fields > Fields > E > Mag_E

3) 在创建场图（Create Field Plot）窗口：

a. 设置解算方案（Solution）：Setup1：LastAdaptive

：Mag_E

b. 参量（Quantity

）

c. 范围（In Volume）：All

d. 单击完成（Done）按钮

4) 现在你能看到模型在XZ平面上的电场幅度分布图。

F.6.6.24（模1：电场幅度分布）

 注：HFSS默认显示结构中第一个模

2. 改变激励模

1) 选择菜单HFSS > Fields > Edit Sources

2) 在编辑源（Edit Sources）窗口：

a. 设置源（Set Source）：EigenMode_1 幅度（magnitude）0，相位（phase）

0

b. EigenMode_2 幅度（magnitude）1，相位（phase）0

3) 单击OK按钮

五）XZ平面上的电场幅度图

1. 下面显示的是XZ平面上不同模的电场分布图。

微波仿真论坛 组织翻译 第 310 页

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第六章 微波实例

模1：电场幅度分布

模2：电场幅度分布

模3：电场幅度分布 模4：电场幅度分布

模5：电场幅度分布 模6：电场幅度分布

F.6.6.25

六）XZ平面上的磁场幅度图

1. 下面显示的是XZ平面上不同模的磁场分布图。

2. 注：HFSS以默认激励（phase=0）给出磁场分布模式，有时看起来并不提供场

（取决于设置）。（我的相位为0时，磁场全为0，改成90度后，和教程一致——dfmt

注）

微波仿真论坛 组织翻译 第 311 页

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第六章 微波实例

模1：磁场幅度分布

模2：磁场幅度分布

模3：磁场幅度分布 模4：磁场幅度分布

模5：磁场幅度分布 模6：磁场幅度分布

F.6.6.26

七）在自定义剖面上绘制场图

可以在自定义剖面上绘制场图，下面将演示如何操作：

1. 创建一个包含想要的剖面的新坐标系统

1) 选择菜单3D Modeler > Coordinate System >Create >Relative CS >Both

2) 在坐标输入区输入数据，把原点设定在谐振器中心：

X: 0.0, Y:0.0, Z: 5.0/2, 按Enter键结束

3) 设置x轴的位置

X: 5.0, Y:0.0, Z: -5.0/2, 按Enter键结束

4) 设置XY平面（注意在坐标栏选择绝对参考系）

X: 0.0, Y:-5.0, Z: 0.0, 按Enter键结束

微波仿真论坛 组织翻译 第 312 页

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第六章 微波实例

F.6.6.27

5) 你现在能看到一个名为RelativeCS1的新坐标系。可以在模型目录树下的

Planes中选择这个坐标系中的平面作为剖面。

F.6.6.28

X: 0.0, Y:5.0, Z: 0.0, 按Enter键结束

6) 选择RelativeCS1：XY

7) 选择HFSS > Fields > Fields >H >Mag_H，设置相位为180度，其余默认。

对Vector_H进行相同的操作。

微波仿真论坛 组织翻译 第 313 页

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第六章 微波实例

F.6.6.29（模1）

八）优化设置-参扫

1. 下面我们来看看改变腔体高度H

Wall

时，谐振频率如何变化。使用HFSS优化。

2. 由于前面我们已经给结构设置了参数H

Wall

，下面只要创建一个参数扫描。然后

我们可以产生模变化的趋势线。

注：这个训练会花费相当一段时间，这完全取决于你的计算机性能。在2.2GHz，

130M内存的计算机上需要花费大约3.5小时。（我的计算机3.2GHz，2G内存，

总共花了22分35秒——译者注）因此，如果你想做这部分练习，你可能要分

配更多的时间到HFSS Ansoft训练课。不管如何，想学习在HFSS中结合本征

模解算进行参数分析，这部分练习对你来说是个重要的见识。因此，你也许需

要考虑一下：

1） 把最大计算步数减少到8

2） 减少HWall步数到4（在分析设置中使用‘Linear Count’）

3） 减少计算得到模的数目到4（

TE

0,m,



，

TM

0,m,



和

HEM

n,m,



模+1衰减模）

九）增加一个参数扫描

1. 选择菜单HFSS > Optimetrics Analysis> Add parametric

2. 在扫描分析（Sweep Analysis）窗口：

微波仿真论坛 组织翻译 第 314 页

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第六章 微波实例

1) 点击Sweep Definitions属性页：

a) 单击Add按钮

b) 在Add/Edit Sweep对话框：

 设置变量Variable：HWall

 选择Select Linear Step

 Start：6mm

 Stop：15mm

 Step：1mm

 单击Add>>按钮

 单击OK按钮

2) 点击General属性页：

a) 勾选‘Save Fields’复选项

（应该是Options属性页中的‘Save Fields and Meshes’复选项——dfmt注）

3) 单击OK按钮

九、保存工程

一）具体操作步骤：

1. 在HFSS窗口，选择菜单File > Save .

十、分析

一）执行仿真求解：

1. 选择菜单

HFSS > Analyze

1) 正如前面所提到的，这步将花费几个小时来计算，取决于你的求解设置。

十一、创建报告

一）创建模随H

Wall

变化的图表

1.操作步骤：

1) 选择菜单HFSS > Results > Create Report

2) 在建立报告（Create Report）窗口：

a. 设置报告类型Report Type：Eigenmode Parameters （本征模参数）

b. 显示类型Display Type：Rectangular （直角）

c. 单击OK按钮

3) 在迹线（Traces）窗口：

a. 设置解算方案Solution：Setup1：LastAdaptive

b. 单击Sweep属性页

 单击Sweep Design and Project Variable Values选项，使扫描参数

可见而不仅仅是名义上的设计

 确定H

Wall

出现在表格中Name栏顶部

c. 单击Y属性页

 设置类别Category：Eigen Modes

 参量Quantity：Mode（1），Mode（2），...Mode（6）.

 Function：Re

微波仿真论坛 组织翻译 第 315 页

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第六章 微波实例

 单击Add Trace按钮

d. 单击Done按钮

4) 可以得到如下图表所示结果，参考书上的结果见F.6.6.31

F.6.6.30

微波仿真论坛 组织翻译 第 316 页

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第六章 微波实例

F.6.6.31

十二、模随H

Wall

变化的参量研究

一）从上面模的研究看，结果在定性上看起来是相同的。但是被认为是TM

01

δ

的‘Mode

1’看起来朝4.92GHz接近而不是在H

Wall

=15mm时升至5.72GHz。这似乎是个错误的结果，

但事实上不是。这是由于下面的情况引起的：

1. HFSS在给模排序时，总是把最低的谐振频率作为‘Mode 1’，次低的谐振频率

总是‘Mode 2’，等等，如下：

f

Mode1

f

Mode2

f

Mode3

...f

Mode[n]

二）因此与结果相关联时要把这个情况考虑在内，看下面

1. TE

01

δ

模在Hwall=12mm之前被表示成Mode 4，在这之后被表示成Mode 3

1，然后直到12mm被表示成Mode 3，最

2. TM

01

δ

模在HWall=8mm之前被表示成Mode

后直到16mm被表示成Mode 4

3. 混合模HEM，在HWall=8mm之前被表示成Mode 3，然后是Mode 1/Mode 2（将

衰减）

三）如果我们要不对照原参考书得到上面的结论，可以通过HFSS画出的场图来得出是

哪种模。但是当你发现这是一个多么简单容易的问题时，就不需要在整个模型范围或部分

模型范围的某个平面上绘制电场和/或磁场幅度分布图了。

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