射频工程师笔记：HFSS基础介绍篇深度剖析

一. HFSS 简介

HFSS（High Frequency Structural Simulator），是一种高频结构仿真软件，可以快速、精确的求解 3D电磁问题，如计算 S参数 、谐振频率 及相应的场等。

HFSS利用有限元 （FEM）的求解方式，即把物体分解为许多微小的四面体有限元来求解，模型内所有的四面体单元构成一个网络，且网格内的每个有限元的解都是相关的，最终通过有限元间的关联得到整个模型的解。有限元算法的原理和实现，难度较大，感兴趣的同学可以自己查阅相关书籍，这里就不展开了，简单介绍下基本的知识，比如有限元是从矢量亥姆赫兹方程 出发，如下图所示，对电场进行基函数分解，然后在进行三维体积分，得到目标矩阵方程。

需注意的是，有限元学习时要与矩量法 的原理进行区分，矩量法是基于面剖分，对表面电流进行基函数分解，然后再进行面积分得到目标矩阵方程。由于基函数选取和目标方程不同，有限元法在处理电大问题上具有显著优势。

HFSS基于有限元的原理对目标进行网格剖分，剖分越密集，求解精度越高，但计算量和计算时间也随之显著增加，为此HFSS引入自适应网格剖分 技术——首先程序对仿真目标进行一个粗略的网格剖分（大量的小四面体），并进行有限元近似求解，同时计算出每个剖分单元的近似误差（因为对电场是近似求解），然后计算出目标频率响应。HFSS还要进一步验证当前仿真的精度，选择那些近似误差较大的剖分单元进行加密，然后重新仿真计算，再次得到新的目标频率响应，并与上次的仿真结果进行对比。如果两者结果相差较大，说明上次网格剖分质量还有待提高，因此需要加密网格剖分，继续验证对比，直到仿真结果趋于一致。

Delta S 的值是判断仿真是否收敛的标准，小于用户设定的，仿真即终止。如果没有达到预设的，仿真次数达到用户设定的最大仿真次数时也终止。

二. HFSS的求解过程

主要包括以下三方面：

1. 创建几何模型（也可通过其他软件导入，如导入PCB的.brd文件，CAD的.stp文件等）、设定边界条件和激励源；

2. 求解设置：定义求解器类型，频率、最大自适应求解次数、收敛标准、扫描方式等；

3. 查看结果及优化：创建二维、三维报告，查看S参数、场图等。

三. HFSS的典型应用

天线 /移动通信 ：贴片天线、偶极子天线、喇叭天线、手机共形天线、矩形螺旋线、SAR无限阵列、RCS雷达反射截面、FSS频率选择表面

波导 ：滤波器 、谐振器、耦合器、功分器

滤波器：腔体滤波器、微带滤波器、介质滤波器

连接器 ：同轴、SFP/XFP、过渡

封装建模：QFP、BGA、FlipChip

印刷电路板建模 ：能量/接地面、栅格接地、底板

硅/砷化镓：螺旋感应器、变压器

电磁兼容/电磁干扰：屏蔽罩、耦合、近场或远场辐射

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