一、设计要求
本次专业选修课1实践案例教学主要学习利用EDA仿真软件HFSS进行介质谐振器的设计和仿真。
通过该软件，加强对介质谐振器的理解和掌握，提高在射频领域的应用能力。
要求基于介质谐振器器件的理论，利用HFSS设计一个介质谐振器，分析介质谐振器的性能等。
二、设计方案
方法1：定义一个微带传输线穿过腔体，并激励微带传输线。微带线对腔体起负载 效果，这与传输线的位置、终端等有关。因此，使用这个方法进行研究取决于反馈结构， 模式可能被遗漏。
方法 2：使用本征模式（Eigenmode）计算得到圆柱形介质谐振器的自身响应。
我们使用第二种方法。由于本征模算法不需要端口激励，只要设定好几何模型和边界条件。我们只计算出现在这个结构中的前 6 个模。
三、设计原理
介质谐振器被设计工作在给定的频率范围，并且谐振器附近的电磁场应该只有预期中特定的几种模。然而，使用了谐振回路后，异常模频繁地干扰正常模。
通过大量的实践能够确定存在一个给定结构中模的耗损功率、谐振器的频率、模和能量，因此谐振器的工作和耦合情况也能够确定。
在圆柱介质中能够起振的通常表示为 TE0,m,δ ，TM 0,m,δ 和 HEMn,m,δ ，分别为横电模，横磁模和混合模。下标 m，n 和δ分别表示方位角上，径向和轴向上的波数。
模型的尺寸如下面的图表所示。
四、设计步骤及内容
（一）运行 Ansoft HFSS
（二）设置工具选项
1.具体操作步骤：
1）选择菜单项 Tool > Options > HFSS Options
2）在 HFSS 选项窗口：
单击 General 属性页 勾选“创建新边界时使用向导输入数据”.（Use Wizards for data entry when creating new boundaries） 勾选“复制几何模型边界”.（Duplicate boundaries with geometry）
3）选择菜单项 Tool > Options > 3D Modeler Options.
4）在三维模型选项窗口：
单击 Operation 属性页，勾选“自动闭合多边线”（Automatically cover closed polylines） 。单击 Drawing 属性页，勾选 “编辑新原始模型的属性”（Edit property of new primitives） 。也就是画完一个形状或物体，会自动弹出它的属性框让你修改。
（三）新建一个工程
1.具体操作步骤：
在 HFSS ，或者选择菜单项 File > New.从 Project 菜单，选择 Insert HFSS Design。
（四）设置解决方案类型
1.具体操作步骤：
选择菜单 HFSS > Solution Type
2.在解决方案类型设置窗口：
选中 Eigenmode，单击 OK 按钮
（五）创建三维模型
1.设置模型单位
1）选择菜单 3D Modeler > Units
2）单击 OK 按钮
2.设置默认材质
在三维模型材质工具栏上，选择 Vacuum
3.创建一个空腔
1）创建圆柱体：从 3D 模型工具栏上选择圆柱体图标
2） 使用坐标输入框，输入中心基点坐标
X: 0.0, Y: 0.0, Z:0.0
按 Enter 键结束
3） 确认在 3D 模型工具栏上的坐标平面设置为 xy。然后在 x 输入框设置腔体 的半径，在 z 输入框设置腔体高度。
注意：不能直接使用坐标输入框中的参数。
dX:15.0, dY: 0.0, dZ:10.0,
按 Enter 键结束
4.参数化腔体高度：
1） 在高度（Height）输入框填上参数名‘Hwall’
2） 单击 Enter 键 HFSS 会要你填写参数值
3） 写上‘10mm’-不要忘了写上单位!
5.更改名字：
从属性窗口选择 Attribute 属性页，在 Name 栏输入：Cavity
6.设置显示方式为 Wireframe：
1） 从属性窗口选中 Attribute 属性页
2） 勾选“显示金属丝框架”（Display Wireframe）
3） 单击 OK 按钮
7.设置最佳观看：
选择菜单 View > Fit All > Active View 或使用快捷键 Ctrl+D
（六）创建一个新的材质并设为置默认材质
1.创建新材质：
1) 在三维模型材质工具栏，选择 Select
2) 单击‘Add Material’按钮
3) 设置材质名为 subs
4) 设置介质的介电常数εr为 9.6，其余为默认不变
5) 单击‘OK’
6) 增加一个名为DielRes的新材质，εr=36
2.设置默认材质：
现在可以通过选择列表中的 subs 并单击 OK 来设置默认材质。
（七）创建基层
1.创建圆柱体：
1） 从 3D 模型工具栏上选择圆柱体图标
2） 使用坐标输入框，输入中心基点坐标
X: 0.0, Y: 0.0, Z:0.0, 按 Enter 键结束
3） 设置坐标平面为 xy。然后在 x 输入框设置腔体的半径，在 z 输入框设置腔体高度。
dX:15.0, dY: 0.0, dZ:-1.0, 按 Enter 键结束
2.更改名字：
从属性窗口选择 Attribute 属性页，在 Name 栏输入：Substrate
3.现在可以设置喜欢的颜色和透明度
（八）设置默认材质
在 3D 模型材质工具栏上选择前面创建的 DielRes 材质
（九）创建介质谐振器
1.创建表示谐振器的圆柱体：
1） 从 3D 模型工具栏上选择圆柱体图标
2） 使用坐标输入框，输入中心基点坐标
X: 0.0, Y: 0.0, Z:0.0, 按 Enter 键结束
3） 设置坐标平面为 xy。然后在 x 输入框设置腔体的半径，在 z 输入框设置腔体高度。
dX:5.0, dY: 0.0, dZ:5.0, 按 Enter 键结束
2.更改名字：
从属性窗口选择 Attribute 属性页， 在 Name 栏输入：DielRes
3.你现在可以设置你喜欢的颜色和透明度
（十）设置边界条件
我们已经建立了完整的模型，在分析之前唯一没做的就是设定边界条件，边界应该应用到腔体和基层的其它部分。
HFSS 给每个可见的模型指定默认的边界‘Perfect Electrical Conductor’（PEC） 。如果你想让谐振器嵌套在一个铝制腔体中，你可以设定边界来取代 HFSS 默认指定 的边界。这样做会影响谐振器的品质因素和共振模。到底有多少影响我们可以使用本征模解算起容易地得到。
但是这个例子将坚持使用 HFSS 默认的边界条件，因此我们把谐振器有效地封装在 理想导体腔中。
（十一）分析设置
一）创建一个分析设置
1.具体操作步骤：
1）选择菜单 HFSS > Analysis Setup > Add Solution Setup
2）在解决方案设置窗体中：
单击 General 属性页：最小频率：3GHz、模式数目：6、最大步数：14、频率每步最大变化：2.5%
在 Options 属性页中：最小收敛步数：3
（十二）保存工程
具体操作步骤：
在 HFSS 窗口，选择菜单 File > Save As。在 Save As 对话框中，输入文件名：hfss_diel_res，单击 Save 按钮
（十三）分析
一）确认模型
具体操作步骤：
在执行求解之前你可以检查模型的有效性，这在运行大型仿真中非常有用选择菜单 HFSS > Validation Check，单击 Close 按钮
注：要查看错误和警告信息，使用信息管理器。
二）执行仿真求解：
选择菜单 HFSS > Analyze All
三）计算数据
1.查看计算后的数据：
选择菜单 HFSS > Results > Solution Data
a. 查看 Profile（概况：内存的使用，计算的时间，剖分的四面体数目） ，单击 Profile 属性页；
b. 查看 Convergence（收敛性） ，单击 Convergence 属性页；
图4-15 Solutions
注：收敛性的查看方式默认为表格（Table） ，选择绘图（Plot）选项可以通过图形方 式查看收敛性数据。
c. 查看本征模数据，单击 Eigenmode Data 属性页；
能看到这些模成对出现——它们是衰减模。在本例后面绘出的 结构内部场图中你也能看出这点。
2.接下来通过单个模查看收敛性，而不是通过 HFSS 的△f 百分比收敛标准来查看。
选择菜单 HFSS > Results >Create Report，在建立报告（Create Report）窗口：设置报告类型 Report Type：Eigenmode Parameters （本征模参数）显示类型 Display Type：Rectangular （直角），单击 OK 按钮。
3.在迹线（Traces）窗口：
a. 设置解算方案 Solution：Setup1：Adaptive1
b. 单击 Y 属性页
设置类别 Category：Eigen Modes，Quantity：Mode（1） ，Mode（2） ，… Mode（6）。使用 CTRL 键进 行多选。Function：Re，单击 Add Trace 按钮，单击 Done 按钮。
4.下面我们设定颜色使图形曲线更清晰。
双击 y 轴上的数字，将弹出如下对话框：
单击 Scaling 属性页,勾选‘Scientific Notation’（科学表示法）,在‘Label’文本框写上‘Resonant Frequency [Hz]’。
正如看到的那样，在第七步后 HFSS 得到的模的频率趋于常数。容易证明模 5 和 6 以及模1 和 2 实际上是同一个模。模 5 在第 4 步和第 6 步之间出现一点小问题是因为模 5 在第 4 步没有描绘好。然而，由于模 5 是衰减模，在第 4 步我们可以通过画出模 6 的场分布图来代替 它，运用我们所学的知识知道衰减模的场是正交的。
四）场覆盖图
我们现在有机会看看 HFSS 计算得到的本征模。这个章节将展示 HFSS 拥有的几种 不同的绘图技术。
1.创建场覆盖图：
选择模型目录树下的 Planes 中的 Global：XZ 平面,选择菜单 HFSS > Fields > Fields > E > Mag_E,在创建场图（Create Field Plot）窗口：设置解算方案（Solution）：Setup1：LastAdaptive,参量（Quantity） ：Mag_E,范围（In Volume） :All, 单击完成（Done）按钮。
现在能看到模型在 XZ 平面上的电场幅度分布图。
2.改变激励模
选择菜单 HFSS > Fields > Edit Sources，在编辑源（Edit Sources）窗口：设置源（Set Source）EigenMode_1,幅度（magnitude）：0，相位（phase）：0；EigenMode_2 幅度（magnitude）1，相位（phase）0 3) 单击 OK 按钮。
五）XZ 平面上的电场幅度图
1.下面显示的是 XZ 平面上不同模的电场分布图。
六）XZ 平面上的磁场幅度图
1.下面显示的是 XZ 平面上不同模的磁场分布图。
2.HFSS以默认激励（phase=0）给出磁场分布模式，有时看起来并不提供场（取决于设置）。
七）在自定义剖面上绘制场图
可以在自定义剖面上绘制场图，下面将演示如何操作：
1.创建一个包含想要的剖面的新坐标系统
1) 选择菜单 3D Modeler > Coordinate System >Create >Relative CS >Both
2) 在坐标输入区输入数据，把原点设定在谐振器中心：
X: 0.0, Y:0.0, Z: 5.0/2, 按 Enter 键结束
3) 设置 x 轴的位置
X: 5.0, Y:0.0, Z: -5.0/2, 按 Enter 键结束
4) 设置 XY 平面（注意在坐标栏选择绝对参考系）
X: 0.0, Y:-5.0, Z: 0.0, 按 Enter 键结束
5) 你现在能看到一个名为 RelativeCS1 的新坐标系。可以在模型目录树下的Planes 中选择这个坐标系中的平面作为剖面。
X: 0.0, Y:5.0, Z: 0.0,
按 Enter 键结束
选择 RelativeCS1：XY。
6) 选择 HFSS > Fields > Fields >H >Mag_H，设置相位为 180 度，其余默认。 对 Vector_H 进行相同的操作。
八）优化设置-参扫
1.下面我们来看看改变腔体高度HWall时，谐振频率如何变化。使用HFSS优化。
2.由于前面我们已经给结构设置了参数HWall，下面只要创建一个参数扫描。然后 我们可以产生模变化的趋势线。
九）增加一个参数扫描
选择菜单 HFSS > Optimetrics Analysis> Add parametric，在扫描分析（Sweep Analysis）窗口：点击 Sweep Definitions 属性页：单击 Add 按钮。
在 Add/Edit Sweep 对话框：设置变量 Variable：HWall，选择 Select Linear Step，Start：6mm，Stop：15mm，Step：1mm，单击 Add>>按钮，单击 OK 按钮。
点击 General 属性页，勾选‘Save Fields’复选项，单击 OK 按钮。
（十四）保存工程
在 HFSS 窗口，选择菜单 File > Save .
五、仿真结果及分析
（一）执行仿真求解：
选择菜单 HFSS > Analyze
（二）创建报告
选择菜单 HFSS > Results > Create Report，在建立报告（Create Report）窗口，设置报告类型 Report Type：Eigenmode Parameters （本征模参数），显示类型 Display Type：Rectangular （直角），单击 OK 按钮。
在迹线（Traces）窗口，设置解算方案 Solution：Setup1：LastAdaptive
单击 Sweep 属性页，单击 Sweep Design and Project Variable Values 选项，使扫描参数可见而不仅仅是名义上的设计，确定HWall出现在表格中Name栏顶部。
单击 Y 属性页，设置类别 Category：Eigen Modes，参量 Quantity：Mode（1） ，Mode（2） ，… Mode（6）.Function：Re，单击 Add Trace 按钮，单击 Done 按钮。可以得到如下图表所示结果，参考书上的结果见下图。
（三）模随HWall变化的参量研究
从上面模的研究看，结果在定性上看起来是相同的。但是被认为是TM01δ的‘Mode1’看起来朝4.92GHz接近而不是在HWall=15mm时升至 5.72GHz。这似乎是个错误的结果，但事实上不是。这是由于下面的情况引起的：
HFSS 在给模排序时，总是把最低的谐振频率作为‘Mode 1’，次低的谐振频率总是‘Mode 2’ ，等等。
因此与结果相关联时要把这个情况考虑在内，看下面
1.TE01δ模在Hwall=12mm之前被表示成Mode 4，在这之后被表示成Mode 3
2.TM01δ模在HWall=8mm之前被表示成Mode 1，然后直到 12mm被表示成Mode 3，最后直到16mm被表示成Mode 4
3.混合模 HEM，在 HWall=8mm 之前被表示成 Mode 3，然后是 Mode 1/Mode 2（将衰减）
如果我们要不对照原参考书得到上面的结论，可以通过 HFSS 画出的场图来得出是 哪种模。但是当你发现这是一个多么简单容易的问题时，就不需要在整个模型范围或部分 模型范围的某个平面上绘制电场和/或磁场幅度分布图了。
六、实践心得
通过本次实践，初步了解了HFSS这个软件的使用步骤，以及对一些器件的设计仿真过程。
在实践过程中，感受最深的就是遇到问题看说明书。对于这个以前从来没有接触过的软件，学习的最好资料莫过于官方的manual，即附带的软件说明书。在设计和仿真时，许多问题在网上难以获得现成的解决方案，这个时候参考官方的手册是个很好的选择。
还有一个感悟就是要加强英文水平的提升，从软件本身到设计手册，全部都是英文，所以掌握一个软件，如果阅读英文文献的能力不达标还是有点困难的。
