第1章 射頻電路設計與主要仿真軟件簡介

1.1 無源器件工程設計和仿真軟件HFSS介紹

微波無源器件主要以各種微波傳輸線為基礎，通過不同的方法設計出具有耦合、功分、濾波和衰減等微波特性的器件。對于不同微波特性的無源器件，所設計的方法是不一樣的；對于同樣微波特性的無源器件，選用的傳輸線類型不一樣，設計方法也不一樣，比如波導濾波器和微帶線濾波器的設計方法就有很大差別。所以，對于微波無源器件的設計，首先要充分了解不同類型微波傳輸線的特點，熟悉每種傳輸線對微波信號的基本計算方法；其次，要針對不同微波特性的微波器件，熟悉它們的基本設計方法。

無源器件以電磁場計算為理論基礎，在選定了傳輸線類型后設計出具體的微波器件，然后需要在軟件中進行模擬仿真，提高設計的準確度，減少后續的修改調試時間。對于微波無源器件的仿真，目前仿真軟件主要有CST和Ansoft HFSS等。本書主要以Ansoft HFSS為仿真軟件。

Ansoft HFSS的功能非常強大，是Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件；HFSS提供了簡潔直觀的用戶設計界面，精確自適應的場解器，擁有空前電性能分析能力的功能強大的后處理器，能計算任意形狀三維無源結構的S參數和全波電磁場。Ansoft HFSS充分利用了如自動匹配網格產生及加密、切線向矢量有限元、ALPS（Adaptive Lanczos Pade Sweep）和模式-節點轉換（Mode-node）等先進技術，從而使工程師們可利用有限元法（FEM）在自己的計算機上對任意形狀的三維無源結構進行電磁場仿真。HFSS自動計算多個自適應的解決方案，采用高階基函數、對稱性和周期邊界等方法，從而節省計算時間和內存，進一步加大求解問題的規模并加速求解的速度，直到滿足用戶指定的收斂要求值。其基于MAXWELL方程的場求解方案能精確預測所有高頻性能，如散射、模式轉換、材料和輻射引起的損耗等。

Ansoft HFSS的自適應網格加密技術使FEM方法得以實用化。初始網格（將幾何子分為四面體單元）的產生是以幾何結構形狀為基礎的，利用初始網格可以快速解算并提供場解信息，以區分出高場強或大梯度的場分布區域。然后只在需要的區域將網格加密細化，其迭代法求解技術節省計算資源并獲得最大精確度。必要時，還可方便地使用人工網格化來引導優化加速網格細化匹配的解決方案。

Ansoft HFSS采用高效的計算機虛擬模型取代費時費力的“cut-and-try”試驗方法，能夠快速精確地計算出無源器件的電磁特性，得到S參數、傳播特性、高功率擊穿特性，優化部件的性能指標，并進行容差分析，可大大縮短設計周期。仿真分析諸如天線、微波轉換器、發射設備、波導器件、射頻濾波器和任意三維非連續性等復雜問題，已簡單化成只需畫結構圖，定義材料性能，設置端口和邊界條件。HFSS自動產生場求解方案、端口特性和S參數。其S參數結果可輸出到通用的線性和非線性電路仿真器中使用。

HFSS軟件擁有強大的天線設計功能，它可以計算天線參量，如增益、方向性、遠場方向圖剖面、遠場3D圖和3dB帶寬；繪制極化特性，包括球形場分量、圓極化場分量、Ludwig第三定義場分量和軸比。使用HFSS，可以計算：

① 基本電磁場數值解和開邊界問題，近遠場輻射問題；

② 端口特征阻抗和傳輸常數；

③ S參數和相應端口阻抗的歸一化S參數；

④ 結構的本征模或諧振解。

而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer構成的Ansoft高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎的高頻設計解決方案，提供了從系統到電路直至部件級的快速而精確的設計手段，覆蓋了高頻設計的所有環節，這里只介紹它的無源器件仿真功能。