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如何学好HFSS仿真设计

—— 兼谈HFSS培训教程的选择,李明洋

 

自本人编著的《HFSS电磁仿真设计应用详解》、《HFSS天线设计》等图书分别由人民邮电和电子工业出版社出版以来,经常收到读者邮件或电话询问如何学习HFSS,怎样才能学好HFSS?这里在此做个简单的总结。

什么是HFSS,HFSS能做什么?

对于准备学习HFSS的工程师来说,想必已经了解了HFSS是什么、HFSS能够帮助我们完成什么工作。这里只做个简单的介绍。HFSS全称High Frequency Structure Simulator,是由原Ansoft公司开发的一款用于三维电磁仿真设计分析的专业软件。2008年,Ansoft公司被Ansys公司收购,HFSS也随之归于Ansys公司,所以以前可以称之为Ansoft HFSS,现在称之为Ansys HFSS。HFSS采用电磁有限元算法,分析结果准确,可以用于设计或分析各种射频/微波无源器件、天线、天线阵、雷达散射截面(RCS)、SAR、EMC/EMI和高速信号完整性等领域。

学习HFSS需要了解哪些专业基础知识?

这个也是大家在学习HFSS时比较关心的问题,HFSS是一款专业性很强的软件,因此肯定不会像word之类的办公软件一样拿到手就会用,需要具备一定的专业基础知识。用户在学习之前需要了解像基础的微波技术知识、基本的电磁场理论、以及S参数定义和使用等基础的专业知识。

当然,大家既然希望学习HFSS,那么肯定是需要用来设计分析某一类问题。比如,学习HFSS用于设计滤波器,那么滤波器的基础知识你应该掌握;或者学习HFSS用于设计天线,那么天线的基础知识你应该掌握;这也就足够了。不用再去为学习哪些基础知识而烦恼,打开HFSS,大胆地用起来,所谓实践出真知,在用的过程中发现某些操作或设置自己搞不明白,此时再有针对性地去看相关基础知识,效果会更好。如果为了学习基础知识而学习基础知识,常常是有太多东西要学,而不知从哪里入手了。

还有一个问题,既然HFSS使用有限元算法(FEM),那么用户在学习HFSS之前是否需要专门去学习有限元算法的知识呢?我的建议是可以不用去专门学习。HFSS是把算法完全封装起来的,用户界面完全接触不到,需要用户做的只是设置几个相关的参数,然后剩下的工作完全由软件自动完成。当然,学习过程中,你可以花1~2个小时的时间简单看一下电磁有限元算法是怎么回事,这样有助于理解HFSS的求解设置项中一些相关参数的设置。

如何更好地学习掌握HFSS

接下来我们就来介绍一下大家最关心的问题——如何学习掌握HFSS。HFSS是一款专业性很强的软件,需要经过系统的学习才能真正掌握,那么如何学习呢?

现在的HFSS采用标准的Windows图形用户界面,界面还是相当友好的,学习起来也不会太难。学习HFSS,首先要搞清楚HFSS的设计分析流程,HFSS设计流程可以归纳为:选择求解类型→创建设计模型→分配边界条件和端口激励→求解设置→运行仿真分析→数据后处理查看分析结果。另外在HFSS中还有一个Optimetrics模块,使用该模块可以实现参数化扫描分析和优化设计。

在刚开始学习时,大家可以先找一个例子,照猫画虎跟着做两遍;对于初学者,推荐学习我们的HFSS视频培训课程,把视频课程从头到尾看一遍;看的过程中,有不懂的地方没关系,不懂的问题放一边,坚持先看完一遍。刚开始看一遍或者照猫画虎跟着做一遍的目标是对HFSS建立一个总体的认知并对HFSS设计流程建立简单的了解。对HFSS有了总体认知并了解了HFSS的设计流程后,接下来再从头跟着培训教程认真地学习设计流程中每一步的具体操作、具体设置,并搞清楚为什么要这样去进行设置和操作。

对于求解类型,需要搞清楚Driven Modal(模式驱动求解)、Driven Terminal(终端驱动求解)和Eigen Mode(本征模求解)这三者的区别和适用条件。

对于创建设计模型,需要熟练掌握各种原型物体的创建、各种建模操作——如旋转、复制、移动、布尔操作等的应用,以及模型材质的添加和分配等。

关于边界条件和端口激励的设置,是HFSS应用和学习的重点和难点;“边界条件决定场”,正确地理解和使用边界条件是正确使用HFSS仿真分析电磁问题的前提;HFSS中定义了多种边界条件,大家在学习过程中必须认真的弄清楚各个边界的定义、应用场合和如何正确使用。关于边界条件的理解掌握和正确地设置和使用,需要一些电磁学方面的基础知识。关于端口激励的设置和使用,大家重点掌握波端口激励(wave port)和集总端口激励(lumped port)这两种激励类型,这是HFSS最常用到的两种激励类型,大家在学习是需要领会二者之间的异同点。总之边界条件和激励是HFSS应用中的重点和难点,对于初学者,需要花更多的精力搞清楚两方面的相关知识。

对于求解设置,主要添加和设置求解频率、扫频频率范围、网格剖分操作等参数。求解频率和扫频频率范围会和实际设计相关;网格剖分操作会设计到有限元算法的一些基本概念,了解有限元算法的基本概念,会有助于对网格剖分设置参数的理解。

对于数据后处理部分,主要用于查看仿真分析后的各项分析结果的,学习时大家需要搞清楚HFSS具体可以查看哪些分析结果,理解每项分析结果的含义,以及如何查看相应的分析的结果。

最后,关于Optimetrics模块,它是HFSS中用于优化设计和参数扫描分析的工具,借助于Optimetrics模块中的各项功能可以实现自动分析设计模型参数的变化对设计模型性能的影响,并能够在设计模型不满足设计要求的情况下,找出满足设计要求的模型参数。要使用Optimetrics模块进行参数扫描分析或者优化设计,首先需要创建参数化的模型——即定义一系列的变量来表示模型的尺寸。所以关于该模块使用的学习,不仅要学习参数扫描分析或优化设计本身的相关设置和使用操作,还需要学习变量的定义和使用,以及参数化模型的创建。

以上是HFSS学习的方向和重点需要掌握的内容,至于具体怎么样才能够数量掌握这些内容,则是需要用户自己“多学习,多实践”。俗话说的话好,熟能生巧,首先找到一门教程跟着入门,然后多找些设计案例,学习别人的设计思路。总之,多学习、多实践,总有一天,你也会成为专家。

HFSS学习教程推荐

10多年前,我第一次接触HFSS时,相关学习培训资料简直少的可怜,只能靠自己对着help文件一点一滴的摸索。相较于10多年前,现在大家学习这类专业软件,已经是相当幸福了 —— 网络上免费资料、付费的专业培训课程、以及图书教材都十分丰富,大家可以很方面的学习。

当然,为了能在学习中少走弯路,不被误导,更好更快地学会并掌握HFSS的设计应用,还是推荐大家学习易迪拓培训推出的由本人主讲的HFSS视频培训课程或者本人编写出版的HFSS图书。

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如果您是希望学习使用HFSS来仿真设计微波无源器件,那么推荐您学习《两周学会HFSS》、《HFSS微波器件仿真设计实例》这两门中文视频教程。

如果您是希望学习使用HFSS来进行天线设计,那么推荐您学习《两周学会HFSS》、《HFSS天线设计入门》、《PCB天线设计和HFSS仿真分析实例》、《HFSS-IE应用详解和天线设计实例》这四门中文视频教程。

如果您是希望学习使用HFSS用于雷达散射界面(RCS)分析,那么推荐您学习《两周学会HFSS》、《HFSS雷达散射截面(RCS)分析》这两门中文视频教程。

结束语

最后,以作家葛拉威尔在《异数》一书中的一段话作为结束语,与大家共勉,“人们眼中的天才之所以卓越非凡,并非天资超人一等,而是付出了持续不断的努力。只要经过1万小时的锤炼,任何人都能从平凡变成超凡。”

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