《HFSS电磁仿真设计从入门到精通》一2.2 T形波导内场分析

本节书摘来自异步社区《HFSS电磁仿真设计从入门到精通》一书中的第2章，第2.2节，作者 易迪拓培训 , 李明洋 , 刘敏，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看

2.2 T形波导内场分析

HFSS电磁仿真设计从入门到精通

2.2.1 新建工程设置

1．运行HFSS并新建工程
双击桌面上的HFSS快捷方式图片 2，启动HFSS软件。HFSS启动后，会自动创建一个默认名称为Project1的新工程和名称为HFSSDesign1的新设计，如图2.2所示。

从主菜单栏选择【File】→【Save As】操作命令，把工程文件另存为Tee.hfss。然后右键单击HFSSDesign1，从弹出的菜单中选择【Rename】命令项，把设计文件HFSSDesign1重新命名为TeeModal。

2．选择求解类型
从主菜单栏选择【HFSS】→【Solution Type】操作命令，打开如图2.3所示的Solution Type对话框，选中Driven Modal单选按钮，单击图片 4按钮。

3．设置长度单位
从主菜单栏选择【Modeler】→【Units】操作命令，打开如图2.4所示的Set Model Units对话框。在Select units下拉列表中选择英寸（in）单位，然后单击图片 5按钮。此时，设置了建模时的默认长度单位为英寸。

2.2.2 创建T形波导模型

图2.1所示的T形波导模型可以分解开来，看做由3个相同大小的长方体叠加而成。这里首先创建第一个长方体，并设置其材料属性和端口激励，然后通过复制操作命令创建第二和第三个长方体，最后通过合并操作命令创建完整的T形波导模型。

1．创建长方体模型
（1）从主菜单栏选择【Tools】→【Options】→【Modeler Options】，打开3D Modeler Options对话框，选择Drawing选项卡，确认选中Edit properties of new primitives复选框，如图2.5所示，然后单击图片 8按钮。

（2）从主菜单栏选择【Draw】→【Box】，或者单击工具栏的图片 10按钮，进入创建长方体模型的工作状态，移动鼠标光标到HFSS工作界面的右下角状态栏，在状态栏输入长方体的起始点坐标为（0，0.45，0），如图2.6所示。

按下回车键确认后，在状态栏输入长方体的长（dX）、宽（dY）、高（dZ）分别为2、0.9、0.4，如图2.7所示。

再次按下回车键确认后，会弹出新建长方体的属性对话框，如图2.8所示；通过属性对话框可以设置和修改物体的位置、尺寸、名称、材料和透明度等属性。这里选择Attribute选项卡，将长方体名称项（Name）改为Tee，长方体材料属性（Material）保持为真空（vacuum）不变；单击Transparent项的数值条，在弹出窗口中移动滑动条设置其值为0.4，以提高长方体的透明度。

设置完成后，单击对话框下方的图片 13按钮，退出属性对话框。此时，即创建好了一个顶点位于（0，0.45，0），长宽高为20.90.4立方英寸的长方体模型。按下快捷键Ctrl+D，软件会适合窗口大小全屏显示所创建的物体模型；新建的长方体模型如图2.9所示。

2．设置波端口激励
（1）单击键盘上的快捷键F，或者在三维模型窗口内单击鼠标右键，从右键弹出菜单中选择【Select Faces】操作命令，切换到面选择状态。再单击选中长方体上位于x__= 2处平行于yz面的表面，选中的表面会高亮显示，如图2.10所示。

（2）在三维模型窗口内单击右键，从弹出的快捷菜单中选择【Assign Excitation】→【Wave Port】，打开波端口设置对话框，如图2.11所示。在打开的对话框中，Name项输入端口名称Port1，单击图片 17按钮；在新窗口中单击Integration Line下方的None，然后从下拉列表框选择New Line选项，设置该波端口的积分校准线，如图2.12所示。

（3）选中并单击图2.12所示的New Line后，会返回到三维模型窗口，进入端口积分线绘制状态。此时移动鼠标光标到前面所选中表面的下边缘的中间位置，当鼠标光标形状变成图片 21时，表示鼠标捕捉到该表面下边缘的终点位置，查看工作界面右下侧的状态栏，确认此时状态栏显示的位置坐标为（2，0，0）。此时单击鼠标左键，确定积分线的起始点；然后再沿着z轴向上移动鼠标光标到所选表面的上边缘，当鼠标光标形状再次变成图片 22时，表示鼠标捕捉到了该表面上边缘的中点位置，确认此时状态栏显示的相对位置坐标为（0，0，0.4），并再次单击鼠标左键确定积分线的终止点。此时积分线设置完成并自动返回到波端口设置对话框，且波端口设置对话框的Integration Line项会由原先的None变成Defined，如图2.13所示。积分线设置过程如图2.14所示。

波端口设置对话框余下各项都保持默认设置不变，一直单击图片 24按钮，直至完成。设置好的波端口如图2.15所示。

3．复制长方体
（1）从主菜单栏选择 【Tools】→【Options】→【HFSS Options】，打开HFSS Options对话框，选择General选项卡，选中Duplicate boundaries with geometry复选框，如图2.16所示，然后单击图片 25按钮。

（2）复制长方体创建T形波导的第二个臂。

展开操作历史树，单击选择Tee节点，即可选中刚刚新建的名称为Tee的长方体，如图2.17所示。

从主菜单栏选择【Edit】→【Duplicate】→【Around Axis】，打开Duplicate Around Axis对话框，进行复制物体的操作。对话框中的Axis项选择Z，Angle项输入90deg，Total number项输入2，如图2.18所示，单击对话框下方的图片 29按钮，即可复制生成一个与z轴成90°夹角、名称为Tee_1的长方体。该长方体继承了长方体Tee的所有属性，包括尺寸、材料属性、激励端口设置等。

按下快捷键Ctrl+D，全屏显示所有物体模型，如图2.19所示。

（3）复制长方体创建T形波导的第三个臂。重复上面的复制操作，在Angle项输入90 deg，即可复制生成第三个长方体，复制生成的第三个长方体的默认名称为Tee2，Tee_2是由Tee沿_z轴顺时针旋转90°复制而成的。按快捷键Ctrl+D，全屏显示所有物体模型，如图2.20所示。

4．合并长方体
（1）从主菜单栏选择【Tools】→【Options】→【Modeler Options】，打开3D Modeler Options对话框，选择Operation选项卡，确认Clone tool objects before unite复选框未被选中，如图2.21所示。

（2）单击键盘上的快捷键O，或者在三维模型窗口单击右键，从右键弹出菜单中选择【Select Faces】，切换到物体选择状态，单击物体选中第一个长方体Tee，接着按下Ctrl键同时选中第二个长方体Tee_1和第三个长方体Tee_2。确保3个长方体都被选中之后，从主菜单栏选择【3D Modeler】→【Boolean】→【Unite】命令或者单击工具栏的图片 34按钮，执行合并操作，将3个长方体合并生成一个整体——即如图2.22所示的T形物体模型。合并后的物体名称和属性与第一个被选中的物体相同。

5．创建隔片
（1）创建一个长方体。从主菜单栏选择【Draw】→【Box】，或者单击工具栏的图片 36按钮，进入新建长方体工作状态。移动鼠标光标在三维模型窗口任选一个基准点，在xy面展开成长方形，单击“确定”按钮；再沿着z轴移动鼠标光标展开成长方体，单击“确定”按钮，完成后会弹出新建长方体的属性对话框。

（2）设置长方体的位置和尺寸。在属性对话框的Command选项卡界面，Position栏输入“0.45in，Offset-0.05in，0in”，设置长方体的起始点位置（注意：此处Offset是个变量，由于尚未定义，所以数据输入时要带上单位in），按回车键确定，此时会弹出如图2.23所示的Add Variable对话框，要求设置变量Offset的初始值，在Value栏处输入“0in”，然后单击图片 37按钮，返回属性对话框。

在Xsize、Ysize和Zsize栏处分别输入0.45、0.1和0.4，设置长方体的长宽高分别为0.45英寸、0.1英寸和0.4英寸。然后，选择属性对话框的左上方的Attribute选项卡，在Name栏处输入长方体的名称Septum，单击图片 39完成。此时，在T形波导内部添加了一个小长方体，如图2.24所示。

（3）相减操作。展开操作历史树，首先选中Tee，按下Ctrl键的同时再选中Septum，确认Tee和Septum都被选中，如图2.25所示；之后，从主菜单栏选择【3D Modeler】→【Boolean】→【Subtract】命令或者单击工具栏的图片 40按钮，打开如图2.26所示的相减操作对话框。确认对话框中Tee在Blank Parts栏，Septum在Tool Parts栏，表明是从模型Tee中去掉模型Septum。单击图片 41按钮执行相减操作。相减操作完成后，创建的完整的T形波导模型如图2.27所示。

2.2.3 分析求解设置

（1）添加求解设置。

在工作界面左侧的工程管理窗口（Project Manager）中，展开TeeModal设计，选中Analysis节点，单击右键，在弹出的快捷菜单中单击【Add Solution Setup…】，打开“求解设置”对话框。在该对话框中，Solution Frequency项输入10，默认单位为GHz，其他项都保持默认设置不变，如图2.28所示，单击图片 46结束。此时，就在工程管理窗口Analysis节点下添加了一个名称为Setup1的求解设置项。

（2）添加扫频设置。在工程管理窗口中，展开Analysis节点，右键单击前面添加的Setup1求解设置项，在弹出菜单中单击【Add Frequency Sweep…】，打开Edit Sweep对话框，如图2.29所示。

在该对话框中，Sweep Name项输入Sweep1，Sweep Type项选择Interpolating，Frequency Setup项作如表2.1所示的设置。其他项保持默认设置不变，然后单击Edit Sweep对话框的图片 49按钮完成扫频设置，此时即在Setup1节点下添加了一个名称为Sweep1的扫频设置项，如图2.30所示。

（3）设计检查。从主菜单栏选择【HFSS】→【Validation Check】，或者单击工具栏的图片 51按钮，此时会弹出如图2.31所示的设计检查验证对话框，检验设计的完整性和正确性。如果该对话框右侧各项都显示图标图片 52，表示当前设计完整且正确，此时单击图片 53结束。接下来就可以运行仿真分析计算了。

2.2.4 运行仿真分析

从主菜单栏选择【HFSS】→【Analyze All】，或者单击工具栏的图片 55按钮，运行仿真分析。

在仿真分析过程中，工作界面右下方的进度窗口会显示求解进度，如图2.32所示。求解运算需要几分钟的时间，求解运算完成后，在工作界面左下方的信息管理窗口会显示仿真分析完成信息，如图2.33所示。

2.2.5 查看分析计算结果

在仿真分析完成后，可以使用HFSS后处理模块查看各类分析结果。本例中，我们主要查看S参数的扫频结果和表面电场分布。

1．图形化显示S参数计算结果
右键单击工程管理窗口中工程树下的Results项，在弹出的菜单中选择【Create Modal Solution Data Report】→【Rectangular Plot】，打开结果报告设置对话框，如图2.34所示的。

在对话框的左侧，Solution项选择Setup1:Sweep1，Domain项选择Sweep；在对话框的右侧，X项选择Freq，在Category栏选择S Parameter，在Quantity栏按下Ctrl键的同时选择S(Port1, Port1)、S(Port1, Port2)、S(Port1, Port3)项，在Function栏选择mag，其他保持默认设置不变。然后单击图片 59按钮，再单击图片 60按钮关闭报告设置对话框；此时即可绘制出S 11、S 12、S 13幅度随频率变化的曲线，结果如图2.35所示。

绘制生成的结果显示报告名称会自动添加到工程树的Results节点下，其默认名称为XY Plot 1。

2．查看表面电场分布
双击工程树下的设计名称TeeModal，返回三维模型窗口。在三维模型窗口中单击右键，从右键弹出菜单中选择【Select Faces】命令，进入面选择状态；单击选中T形波导模型的上表面。选中的模型表面会高亮显示，如图2.36所示。

右键单击工程树下的Field Overlays节点，从右键弹出菜单中选择【Plot Fields】→【E】→【Mag_E】操作命令，打开Create Filed Plot对话框，如图2.37所示。对话框所有设置保持默认不变，直接单击图片 63按钮，此时在选中的T形波导上表面会显示出场分布情况；同时，在工程树的Field Overlays节点下会自动添加该场分布图，其默认名称为Mag_E1，如图2.38所示。

3．动态演示场分布图
在工程树的Mag_E1项上单击右键，从弹出菜单中选择【Animate】，打开如图2.39所示的动画演示设置对话框，对话框各项设置保持默认不变，单击图片 66按钮，则可以观察到T形波导表面的场分布开始动态变化。同时，在工作界面左上角的还会打开图2.40所示的Animation对话框，通过该对话框可以控制动态显示的进程，包括停止、开始和演示速度等。最后，单击Animation对话框上的图片 67按钮，退出对话框。

2.2.6 保存设计并退出HFSS

至此，我们完成了T形波导的内场分析工作。单击工具栏的图片 70按钮，保存设计，然后从主菜单栏选择【File】→【Exit】，退出HFSS。