第1章 射频电路设计与主要仿真软件简介

1.1 无源器件工程设计和仿真软件HFSS介绍

微波无源器件主要以各种微波传输线为基础，通过不同的方法设计出具有耦合、功分、滤波和衰减等微波特性的器件。对于不同微波特性的无源器件，所设计的方法是不一样的；对于同样微波特性的无源器件，选用的传输线类型不一样，设计方法也不一样，比如波导滤波器和微带线滤波器的设计方法就有很大差别。所以，对于微波无源器件的设计，首先要充分了解不同类型微波传输线的特点，熟悉每种传输线对微波信号的基本计算方法；其次，要针对不同微波特性的微波器件，熟悉它们的基本设计方法。

无源器件以电磁场计算为理论基础，在选定了传输线类型后设计出具体的微波器件，然后需要在软件中进行模拟仿真，提高设计的准确度，减少后续的修改调试时间。对于微波无源器件的仿真，目前仿真软件主要有CST和Ansoft HFSS等。本书主要以Ansoft HFSS为仿真软件。

Ansoft HFSS的功能非常强大，是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件；HFSS提供了简洁直观的用户设计界面，精确自适应的场解器，拥有空前电性能分析能力的功能强大的后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。Ansoft HFSS充分利用了如自动匹配网格产生及加密、切线向矢量有限元、ALPS（Adaptive Lanczos Pade Sweep）和模式-节点转换（Mode-node）等先进技术，从而使工程师们可利用有限元法（FEM）在自己的计算机上对任意形状的三维无源结构进行电磁场仿真。HFSS自动计算多个自适应的解决方案，采用高阶基函数、对称性和周期边界等方法，从而节省计算时间和内存，进一步加大求解问题的规模并加速求解的速度，直到满足用户指定的收敛要求值。其基于MAXWELL方程的场求解方案能精确预测所有高频性能，如散射、模式转换、材料和辐射引起的损耗等。

Ansoft HFSS的自适应网格加密技术使FEM方法得以实用化。初始网格（将几何子分为四面体单元）的产生是以几何结构形状为基础的，利用初始网格可以快速解算并提供场解信息，以区分出高场强或大梯度的场分布区域。然后只在需要的区域将网格加密细化，其迭代法求解技术节省计算资源并获得最大精确度。必要时，还可方便地使用人工网格化来引导优化加速网格细化匹配的解决方案。

Ansoft HFSS采用高效的计算机虚拟模型取代费时费力的“cut-and-try”试验方法，能够快速精确地计算出无源器件的电磁特性，得到S参数、传播特性、高功率击穿特性，优化部件的性能指标，并进行容差分析，可大大缩短设计周期。仿真分析诸如天线、微波转换器、发射设备、波导器件、射频滤波器和任意三维非连续性等复杂问题，已简单化成只需画结构图，定义材料性能，设置端口和边界条件。HFSS自动产生场求解方案、端口特性和S参数。其S参数结果可输出到通用的线性和非线性电路仿真器中使用。

HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。使用HFSS，可以计算：

① 基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；

② 端口特征阻抗和传输常数；

③ S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；

④ 结构的本征模或谐振解。

而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节，这里只介绍它的无源器件仿真功能。