前 言

现在的产品设计，不管是结构制图，还是电路板的设计，以及电子电路仿真都离不开新兴的EDA软件。作为射频工程师，必须掌握两种以上电路仿真设计软件：对电路仿真而言，具有代表性的是Keysight 的 ADS软件；对于场仿真、结构类微波器件的仿真而言，具有代表性的是Ansys的 HFSS。目前这两款软件在企业、高校及研究所有着非常广泛的应用。

Ansys HFSS 软件是三维全波电磁场仿真的行业标准。HFSS 无与伦比的精度、先进的求解器和计算技术使得它成为高频和高速电子元件设计工程师的必备工具。HFSS提供了众多基于有限元、积分方程和高级混合方法的最先进求解器技术，可求解多种微波、RF和高速数字应用。

本书采用较新的HFSS15版本作为平台，按照软件仿真设计的顺序流程，由浅入深、从功能介绍到工程应用，系统讲解了HFSS用于射频微波电路设计的方法。目前市面上有不少HFSS的书籍，但是学完只掌握了软件的基本操作，为了能让读者快速掌握这款实用软件并运用工程设计，编者组织了一批有设计经验的射频工程师编写此书，做到理论、仿真、实际相结合，并将书中部分案例做出实物且进行了测试对比，工程性非常强。

该书有21章，分为基础篇和实例篇：

基础篇（1～6章）： 内容包括HFSS基本功能、建模、网格、变量设置、调谐优化、仿真结果和数据输出，以及HFSS和第三方软件的结合。

实例篇（7～21章）：内容包括微带线、微带滤波器、腔体滤波器、介质滤波器、功分器、耦合器、微带天线、GPS/北斗天线、键合线匹配、SMA头、LTCC、DRO、频率选择表面的设计与仿真。

编者根据在校学生及工程师应用需要编写此书，提供大量的仿真设计实例，希望能起到抛砖引玉的作用。最后非常感谢电子工业出版社方面给予的建议及各个方面的支持，同时对本书参考Ansys公司和网上较多文献资料，在此一并表示感谢！

由于编者水平有限，书中错误在所难免，希望各位同行批评指正。

编 者

2015.3.5

徐兴福，兴森科技-安捷伦联合实验室射频负责人，10多年射频产品研发经验，主要从事射频微波电路及PCB设计与仿真，曾主编《ADS2008射频电路设计与仿真实例》《ADS2011射频电路与仿真实例》，作者长期活跃在网络帮初学者解疑释惑，目前还担任EDA365论坛版主。

基础篇 

第1章HFSS功能概述1 

1.1概述1 

1.2HFSS功能特点2 

1.3HFSS基础知识5 

1.4HFSS的边界条件7 

1.5HFSS中的激励源10 

1.6HFSS仿真常用设置12 

1.7本章小结14 

第2章HFSS建模操作15 

2.1建模相关自定义选项的设置15 

2.2基础参数化建模18 

2.3建模操作几何变换25 

2.4坐标系的选择30 

2.5创建3D几何模型实例34 

2.6HFSS高级建模36 

2.7本章小结38 

第3章网格划分设置39 

3.1有限元简介39 

3.2设置求解频率39 

3.3收敛误差44 

3.4查看网格剖分情况45 

3.5高级网格设置47 

3.6应用网格设置48 

3.7本章小结48 

第4章变量设置与调谐优化49 

4.1变量49 

4.1.1变量类型49 

4.1.2变量定义50 

4.1.3添加、删除和使用变量51 

4.2调谐分析54 

4.3统计分析55 

第5章仿真结果输出56 

5.1回波损耗S1156 

5.2输入阻抗Zin58 

5.3导纳Y59 

5.4Smith圆图60 

5.5电压驻波比VSWR62 

5.6方向图63 

5.6.1二维增益方向图63 

5.6.2三维方向图67 

5.7数据及图形的输出69 

5.8本章小结71 

第6章HFSS与其他软件的联合72 

6.1HFSS与Ansoftdesigner的协同仿真72 

6.1.1新建工程设置72 

6.1.2模型建立73 

6.1.3端口和边界条件的设置77 

6.1.4仿真和参数扫描设置79 

6.1.5Ansoftdesigner模型导入81 

6.1.6HFSS模型的使用84 

6.1.7Ansoftdesigner仿真设置88 

6.2HFSS模型的导出与导入90 

6.2.1HFSS平面模型的导出90 

6.2.2HFSS三维模型的导出和导入94 

6.3HFSS数据的导出与导入97 

6.3.1常用图表数据文件的导出与导入97 

6.3.2sNP数据文件的导出和导入99 

6.4HFSS与Matlab之间的联合仿真103 

实例篇 

第7章PCB微带线仿真107 

7.1微带线特性阻抗的仿真分析107 

7.2不连续性对微带线影响的仿真分析107 

7.3差分特性阻抗仿真129 

第8章Ku波段微带发夹线滤波器仿真147 

8.1微带滤波器基本原理147 

8.1.1微带线谐振器147 

8.1.2耦合系数矩阵及滤波器的拓扑结构147 

8.1.3外部品质因数148 

8.2设计目标150 

8.3整体图形150 

8.4HFSS仿真步骤152 

8.4.1谐振器的设计152 

8.4.2耦合系数与谐振器间距的关系164 

8.4.3外部品质因数与抽头位置的确定166 

8.4.4滤波器的设计和优化167 

8.4.5滤波器的优化仿真180 

8.5本章小结184 

第9章介质滤波器185 

9.1滤波器指标要求及设计思路185 

9.1.1滤波器指标要求185 

9.1.2设计思路185 

9.2用MWO（MicroWaveOffice）确定滤波器的阶数186 

9.3MWO（MicroWaveOffice）路仿真189 

9.3.1设置ProjectOptions189 

9.3.2绘制原理图189 

9.3.3新建Graph192 

9.3.4设置优化目标及分析194 

9.4HFSS建模196 

9.4.1新建工程196 

9.4.2新建空气腔体196 

9.4.3新建陶瓷块198 

9.4.4新建内导体202 

9.5新建外导体204 

9.5.1新建下表面外导体204 

9.5.2新建左右表面外导体205 

9.5.3新建前后外导体207 

9.5.4新建I/OPort208 

9.6HFSS设置变量209 

9.7HFSS设置边界条件211 

9.8HFSS设置求解分析213 

9.9HFSS优化217 

9.9.1计算合适的滤波器长度217 

9.9.2分析计算合适的耦合221 

9.9.3联合分析计算合适的耦合与长度223 

9.9.4微调226 

9.9.5设置优化目标自动优化228 

9.9.6小型化231 

9.10实物测试与仿真结果比较233 

9.11本章小结234 

第10章腔体滤波器的设计与仿真235 

10.1腔体滤波器结构的预估235 

10.2谐振单元和耦合系数的仿真238 

10.2.1谐振单元仿真238 

10.2.2耦合系数的仿真252 

10.3全波滤波器的建模与仿真266 

10.3.1全波滤波器的建模266 

10.3.2全波滤波器的仿真计算272 

10.4本章小结276 

第11章微带一分四功分器的设计与仿真277 

11.1微带T型功分器的基本原理277 

11.2微带T型功分器的HFSS建模分析277 

11.3查看并分析HFSS仿真结果300 

第12章微带定向耦合器设计与仿真305 

12.1X波段微带定向耦合器设计要求305 

12.2HFSS建模步骤305 

12.3仿真316 

12.4改善方向性321 

第13章宽带非对称多节定向耦合器设计330 

13.1非对称多节定向耦合设计原理与HFSS设计概述330 

13.1.1非对称多节定向耦合器设计概述330 

13.1.2HFSS设计环境概述331 

13.2创建非对称定向耦合器模型HFSS环境332 

13.3创建非对称多节定向耦合器模型332 

13.3.1设置默认的模型长度单位332 

13.3.2建模及边界设置相关选项设置333 

13.3.3建模介质基板334 

13.3.4建模非对称多节耦合器337 

13.4非对称多节定向耦合边界条件和激励350 

13.4.1非对称多节定向耦合器边界条件350 

13.4.2非对称多节定向耦合器激励设置351 

13.5非对称多节定向耦合HFSS求解设置357 

13.5.1求解设置357 

13.5.2扫频设置357 

13.6检查和运行仿真分析358 

13.7查看仿真结果358 

13.8参数扫描分析360 

13.9优化变量设置与分析362 

13.10最终结果与导出版图365 

13.11本章小结368 

第14章侧馈／同轴馈电矩形微带天线设计369 

14.1天线尺寸计算369 

14.2HFSS软件建模370 

14.3同轴馈电矩形微带天线仿真实例387 

第15章微带八木天线设计与仿真395 

15.1微带八木天线理论395 

15.2设计目标398 

15.3设计的整体图形398 

15.4HFSS仿真步骤398 

15.5本章小结414 

第16章GPS北斗双模微带天线设计与仿真415 

16.1设计指标要求415 

16.2设计方案415 

16.3初始尺寸计算417 

16.4新建HFSS工程与设计418 

16.5模型创建418 

16.6求解和扫频设置431 

16.7设计检查和运行仿真分析433 

16.8查看回波损耗434 

16.9查看Smith圆图结果434 

16.10参数扫描分析435 

16.11查看调整后的天线性能440 

16.12本章小结447 

第17章DRO谐振器设计与仿真448 

17.1DRO设计原理449 

17.2谐振腔体设计449 

17.2.1新建HFSS工程449 

17.2.2谐振腔体建模450 

17.2.3建立圆柱形谐振腔体模型450 

17.2.4设置边界条件和激励453 

17.2.5求解设置454 

17.2.6检查设计和仿真454 

17.2.7查看仿真结果455 

17.310GHzDRO实例仿真459 

17.3.1建立仿真模型459 

17.3.2添加材料462 

17.3.3设置边界条件和激励463 

17.3.4求解设置466 

17.3.5检查设置和运行仿真466 

17.3.6查看仿真结果并分析467 

17.3.7优化设计469 

17.3.8导出仿真数据472 

第18章SMA头端接50欧微带线仿真474 

18.1射频同轴连接器简介474 

18.1.1连接器常见的几种安装方式474 

18.1.2可拆卸式SMA连接器的模型及原理分析475 

18.2可拆卸式SMA连接器的HFSS模型和设计指标476 

18.2.1HFSS模型整体图形476 

18.2.2可拆卸式SMA连接器HFSS模型参数476 

18.2.3技术指标要求477 

18.3HFSS仿真实例：Ku波段可拆卸式SMA接头转50欧姆微带线仿真477 

18.3.1新建HFSS工程477 

18.3.2创建50欧姆微带线模型479 

18.3.3创建玻璃绝缘子模型482 

18.3.4设置端口和求解、运行仿真并查看结果489 

18.3.5设置参数扫描并查看结果494 

18.4本章小结497 

第19章键合线与PCB互连匹配电路设计498 

19.1基本原理498 

19.2设计目标500 

19.3HFSS设计步骤501 

19.4本章小结522 

第20章LTCC无源器件的设计与仿真523 

20.1LTCC技术概述523 

20.1.1LTCC的概念523 

20.1.2LTCC的技术特点524 

20.1.3LTCC的应用领域525 

20.1.4LTCC的工艺流程525 

20.2LTCC滤波器基本理论526 

20.2.1LTCC滤波器526 

20.2.2内埋置电感528 

20.2.3内埋置电容529 

20.2.4梳状线结构的带状线滤波器理论530 

20.2.5LTCC中的带状线531 

20.3LTCC滤波器设计与仿真532 

20.3.1三维模型533 

20.3.2求解设置546 

20.3.3仿真分析556 

20.3.4参数扫描559 

20.4本章小结566 

第21章频率选择表面仿真567 

21.1频率选择表面基本理论567 

21.2设计目标和整体图形568 

21.3HFSS设计步骤568 

21.4本章小结583

《HFSS射频仿真设计实例大全》讲解了HFSS操作方法，并提供了大量的工程设计实例，分为基础篇（1～6章）和实例篇（7～21章）。基础篇包括HFSS功能概述、HFSS建模操作、网格划分设置、变量设置与调谐优化、仿真结果输出，以及HFSS与其他软件的联合、数据输入/输出等；实例篇包括PCB微带线、微带滤波器、腔体滤波器、介质滤波器、功分器、耦合器、微带天线、GPS/北斗天线、键合线匹配、SMA头、LTCC、DRO、频率选择表面的设计与仿真。

《HFSS射频仿真设计实例大全》实例与工程运用结合非常紧密，全面讲解了使用HFSS设计各种射频电路及元器件，可供无线通信产品设计的射频工程师使用，也可作为高等院校电子通信类专业教学参考书。