Ansoft 高级培训班教材

ISM 天线射频特性的 Ansoft HFSS 分析

李磊 谢拥军 编著

西安电子科技大学 Ansoft 培训中心

目录

第一章 序言

第二章 创建项目

第三章 构造模型

第四章 优化

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第一章 序言

本讲义主要是引导学员学习使用Ansoft HFSS的优化功能进行微波工程设计。随着越来

越多的民用科研产品集中在ISM频段，这一频段的微波元器件设计也就越来越受到射频工程

师的关注。对于民用产品来说，微带天线适应了其集约化、小型化的需求，从而成为产品设

计中的关键。

Ansoft HFSS提供的优化设计功能，特别适合于微波产品的优化设计。在这一优化功能

中，结构参数、媒质本构常数等可以作为待优化的参数，元件的S参数、本征值和场分布等

都可以作为优化的目标函数。学员通过可以本讲义的练习，熟悉这一功能。

这本手册的后边部分描述将引导你如何使用软件去建立、仿真和优化一个 ISM 天线

的 axial ratio（轴比）。本例假设使用者已经学习过并理解指南中的“The Getting Started”

的内容。

备注：如果你对该内容不熟悉，请翻看指南中“Using the 3D Solid Modeler”部分。

该天线是一个右手圆极化天线（RHCP），工作在 2.4GHz 的 ISM 频率

(Bluetooth, 802.11b, etc. )

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第二章创建项目 本章中你的目标是：

√保存一个新项目。

√把一个新的HFSS设计加到已建的项目

√为项目选择一种求解方式

√设置设计使用的长度单位 时间：完成这章的内容总共大约要5分钟。

一.打开HFSS并保存一个新项目 1. 双击桌面上的HFSS9图标，这样就可以启动HFSS。启动后的程序工作环境如图：

图 2－1 HFSS 工作界面 1．打开File选项(alt+F),单击Save as。2．找到合适的目录，键入项目名hfopt_ismantenna。

图 2－2 保存 HFSS 项目

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二.加入一个新的 HFSS 设计

1．在Project菜单，点击insert HFSS Design选项。( 或直接点击 图标。)一个新的工

程被加入到hfopt_ismantenna项目中，默认名为HFSSModeln。

图 2－3 加入新的 HFSS 设计 2． 为设计重命名。在项目树中选中 HFSSModel1,单击鼠标右键，再点击 Rename 项，将设

计重命名为 hfopt_ismantenna。

图 2－4 更改设计名

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三.选择一种求解方式 1． 在 HFSS 菜单上，点击 Solution Type 选项. 2．选择源激励方式，在 Solution Type 对话框中选中 Driven Mode 项。

图 2－5 选择求解类型 图 2－6 选择源激励方式

四.设置设计使用的长度单位 1. 在 3D Modeler 菜单上，点击 Units 选项. 2. 选择长度单位，在 Set Model Units 对话框中选中 mm 项。

图 2－5 选择长度单位 图 2－6 选择 mm 作为长度单位

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第三章构造模型 本章中你的目标是：

√建立物理模型。

√设置变量。

√设置模型材料参数

√设置边界条件和激励源

√设置求解条件 时间：完成这章的内容总共大约要35分钟。

一.建立物理模型 1． 画长方体。

在 Draw 菜单中，点击 Box 选项（或直接点击 图标）；

图 3－1 通过菜单加入一个 Box

2． 输入参数。 按下 Tab 键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置长方体的基坐标为

(x=-22.5mm,y=-22.5mm,z=0.0mm); 按下 Enter 键后输入三边长度：x 方向 45mm, y 方向45mm, z 方向 5mm。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。

图 3－2 输入长方体的几何尺寸

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3． 设置长方体属性 如上设置完几何尺寸后，HFSS 系统会自动弹出长方体属性对话框。对话框的 Command

页里有我们刚才设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用

鼠标建立一个长方体模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。 单击 Attribute 页，在 Attribute 页我们可以为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等

参数。这里，我们把这个长方体命名为 Substate，将其透明度设为 0.8。材料在下文统一设置。

设置完毕后，同时按下 ctrl 和 D 键(ctrl+D)，将视图调整一下。

图3－3 设置长方体的各项属性

图3－4 绘出Substate板后的视窗

小技巧： 按下alt键后，旋转鼠标，视图随之旋转；

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按下 shift 键后，移动鼠标，视图随之平移； 4． 画长方形。

在Draw菜单中，点击Rectangle选项（或直接点击 图标）；

图3－5 通过菜单加入一个Rectangle

5． 输入长方形参数。

按下 Tab 键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置长方形的基坐标为(x=-45mm,y=-45mm,z=0.0mm); 按下 Enter 键后输入三边长度：x 方向 90mm, y 方向 90mm, z 方向 0mm。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。

图 3－6 输入长方形的几何尺寸

6． 设置长方形属性

如上设置完几何尺寸后，HFSS 系统会自动弹出长方形属性对话框。对话框的 Command页里有我们刚才设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用

鼠标建立一个长方形模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。 单击 Attribute 页，在 Attribute 页我们可以为长方形设置名称、材料、颜色、透明度等

参数。这里，我们把这个长方形命名为 groundplane，将其透明度设为 0.8。 设置完毕后，同时按下 ctrl 和 D 键(ctrl+D)，将视图调整一下。

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图3－7 设置长方形的各项属性

图3－8 绘出groundplane后的视窗

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7. 重复上述画长方形的步骤绘出长方形patch。 参数如下： 名称：patch 长方形坐标基点坐标: X= -16mm, Y=-16 mm, Z=5mm; x 方向(dx)=32mm, y 方向(dy)=32mm, z 方向(dz)= 0mm。 透明度：0.8

图3－9 绘出patch后的视窗 8. 画圆柱体

在 Draw 菜单中，点击 Cylinder 选项（或直接点击 图标）；

图 3－10 通过菜单加入一个 Cylinder

9． 入圆柱体参数。 按下 Tab 键切换到参数设置区（在工作区的右下角），圆柱体坐标基点圆心坐标: X= 0mm, Y= 8mm, Z=0 mm;高: 5mm,半径:0.5mm; 圆柱轴向为 z 轴. 所以 dx:0.5mm, dy:0mm,dz:5mm

图 3－11 输入圆柱体的几何尺寸

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10. 设置圆柱体属性 如上设置完几何尺寸后，HFSS 系统会自动弹出圆柱体属性对话框。对话框的 Command

页里有我们刚才设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用

鼠标建立一个圆柱体模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。 单击 Attribute 页，在 Attribute 页我们可以为圆柱体设置名称、材料、颜色、透明度等

参数。这里，我们把这个圆柱体命名为 feed，将其透明度设为 0.8。材料在下文统一设置。 设置完毕后，同时按下 ctrl 和 D 键(ctrl+D)，将视图调整一下。

图3－12 设置圆柱体的各项属性

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图3－13 绘出pad后的视窗 11.重复上述画长方体的步骤绘出长方 体 air。 参数如下： 名称: air_box 坐标基点: X= -80.0mm, Y= -80.0mm, Z= -35.0mm 三边长度: X 方向: 160.0mm, Y 方向: 160.0mm,Z 方向: 75.0mm 透明度：0.8 同时按下 ctrl 和 D 键(ctrl+D)，将视图调整一下。 图3－14 绘出 air_box 后的视窗 12．画圆形。

在Draw菜单中，点击Circle选项（或直接点击 图标）；

图3－15 通过菜单加入一个Circle 13．输入圆形参数。

按下 Tab 键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置圆形的圆形基坐标为(x=0mm,y=8mm,z=0.0mm); 按下 Enter 键后输入三边长度：x 方向 1.5mm, y 方向 0mm, z 方

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向 0mm。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。

图 3－16 输入长方形的几何尺寸

14．输入圆形属性。 如上设置完几何尺寸后，HFSS 系统会自动弹出圆形属性对话框。对话框的 Command

页里有我们刚才设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用

鼠标建立一个圆形模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。 单击 Attribute 页，在 Attribute 页我们可以为圆形设置名称、材料、颜色、透明度等参

数。这里，我们把这个圆形命名为 port，将其透明度设为 0.8。 设置完毕后，同时按下 ctrl 和 D 键(ctrl+D)，将视图调整一下。

图3－17 设置圆形的各项属性

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图3－18 绘出port后的局部视窗

15．从groundplane中割去port。

在操作历史树中利用 ctrl 键先选中 groundplane, 再选中 port；在 3D Modeler 菜单上，点击 Boolean 选项,再选择 Subtract 项。（或直接点击 图标）

注意：出现在 Subtract 左侧的物体是操作后保留的物体。 选中 Clone tool objects before subtract；我们只想在 groudplane 中裁去和 port 一样大小

的洞，仍需要保留 port。

图 3－20 通过菜单进行 subtract 操作 图 3－21 subtract 对话框

小技巧：点击 图标可以选择显示、隐藏物体。

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图 3－22 挖去与 port 相同大小的 groundplane（隐去 port） 16．画多边形。

在 Draw 菜单中，点击 Line 选项（或直接点击 图标）；

图3－23 通过菜单加入一个多边形

17．输入多边形参数。

按下 Tab 键切换到参数设置区（在工作区的右下角），输入第一个点的坐标为(x=0mm,y=0mm,z=0mm); 按下 Enter 键后输入第二个点的坐标为(x=6mm,y=0mm,z=0mm); 再按下 Enter 键后输入第三个点的坐标为(x=0mm,y=6mm,z=0mm); 按下 Enter 键后输回第一个点的坐标为(x=0mm,y=0mm,z=0mm)。

注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。 当所绘曲线闭合后，在绘图区点击鼠标右键，再次在绘图区点击鼠标右键，选择 Done

项结束曲线绘制。

图 3－24 输入多边形的几何尺寸参数

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图 3－25 设置多边形的线形后结束曲线绘制

18．置多边形属性 如上设置完几何尺寸后，HFSS 系统会自动弹出多边形属性对话框。 在 Attribute 页我们可以为多边形设置名称、材料、颜色、透明度等参数。这里，我们

把这个长方形命名为 Chamcut1，将其透明度设为 0.8。 设置完毕后，同时按下 ctrl 和 D 键(ctrl+D)，将视图调整一下。

图3－26 设置多边形的各项属性

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图3－27 绘出多边形Chamcut1后的视窗 19．下面我们把多边形 Chamcut1 移到边角去。

在操作历史树中选中 Chamcut1；在 Edit 菜单上，点击 Arrage 选项,再选择 Move 项。（或直接点击 图标）。

按下 Tab 键切换到参数设置区（在工作区的右下角），输入位移矢量。 位移矢量起点坐标为(x=0mm,y=0mm,z=0mm); 按下 Enter 键后输入矢量方向大小

dx=-16mm,dy=-16mm,dz=5mm.. 注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。

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图 3－28 通过菜单进行 Move 操作

图 3－29 输入多边形移动的位置矢量

图 3－29 多边形移动后的位置视窗

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20．复制多边形 Chamcut1，并将它移到另一个对角。

在操作历史树中选中 Chamcut1；在 Edit 菜单上，点击 Duplicate 选项,再选择 Around

Axis 项。（或直接点击 图标）。

图 3－30 从操作历史树选中 duplicate 操作，around Axis 方式

此时出现轴向选择对话框，我们将轴线设为Z轴，旋转角度180deg；我们只需复制一份，连同原来的共2份，所以total设为2.

图 3－31 轴向选择对话框设置 图 3－32 为复制的物体改名

复制的物体被自动命名为 Chamcut1_1;我们将其分别命名为 Chamcut2。具体方法为：在操作历史树中选中 Chamcut1_1；在 Attribute 工作区把 Name 从 Chamcut1_1 改为 Chamcut2。

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图 3－33 Chamcut1 被复制后的视窗 21．模仿以上步骤把 Chamcut1, Chamcut2 从 Patch 中割去。

但这次不要选中 Clone tool objects before subtract；因为我们想在把 Patch 裁去和Chamcut1, Chamcut2 一样大小的角，并不需要保留 Chamcut1, Chamcut2。

图 3－34 减去 Chamcut1，Chamcut2 角后的总视窗

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至此几何建模完成。

二.设置变量 1．在 goundplane 中设置变量。

在操作历史树中,点击 goundplane 前+号将其展开；选中 CreatRectangle 单击鼠标右键，点击 Properties 项（或直接在 command 窗口修改）。

图 3－35 从操作历史树选中 CreatRect 图 3－36 在 command 窗口的属性表 修改 Position，把原来的-45,-45,0 改为 glaneStart,glaneStart,0；

图 3－37 在 goundplane 的 command 页修改 Position

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因为 glaneStart 变量从来没有定义过，HFSS 系统会自动跳出变量定义框。我们将 glaneStart定义为-45mm。（注意：不要忘记了写单位 mm）。

图 3－38 定义变量 glaneStart

下一步修改 XSize，Ysize；把原来的 90mm,90mm 改为 glaneSize, glaneSize； 定义变量 glaneSize 为 90mm,步骤如上。

图 3－39 修改完毕后的 goundplane 的 command 页

2．在 substrate 中设置变量。

操作步骤同上，需要设置的变量及其参数如下：

subStart: -22.5mm; subSize: 45mm; subHeight: 5mm;

Position: -22.5mm,-22.5mm,0mm-> subStart , subStart , 0mm;

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XSize : 45mm-> subSize;

YSize : 45mm-> subSize;

ZSize : 5mm-> subHeight.

图 3－40 修改完毕后的 substrate 的 command 页

3． 在 Patch 中设置变量。 操作步骤同上，需要设置的变量及其参数如下：

PatchStart: -16mm; PatchSize: 32mm;

Position: -16mm, -16mm, 5mm -> PatchStart , PatchStart , subHeight;

XSize : 32mm -> PatchSize;

YSize : 32mm -> PatchSize;

图 3－41 修改完毕后的 Patch 的 command 页 4． 在 feed 中设置变量。 操作步骤同上，需要设置的变量及其参数如下：

FeedLocation: 8mm;

Position: 0 mm, 8mm , 0mm -> 0mm , FeedLocation , 0mm;

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Height : 5mm -> SubHeight;

图 3－42 修改完毕后的 feed 的 command 页

5． 在 port 中设置变量。

操作步骤同上，需要设置的变量及其参数如下：

Position: 0 mm, 8mm , 0mm -> 0mm , FeedLocation , 0mm;

图 3－43 修改完毕后的 port 的 command 页

6． 在 chamCut1 中设置变量。 ChamCut1 在我们切割后并未消失，而是隐藏在 patch 的 Subtract 操作中；在操作历史树

中,点击 patch 前+号将其层层展开直到看到 CreateLine(patch－>Chamcut1－>CreatPolyline－>CreateLine)；用鼠标双击 CreateLine 后，出现线条属性修改窗口。

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图 3－44 展开 Patch 操作可以显示 CreateLine 项 定义变量ChamSize＝6mm；通过修改起始点坐标来改变多边形Chamcut1的边长。 原来的第二点坐标[6,0,0]－>[ChamSize,0,0] 原来的第三点坐标[0,6,0]－>[0, ChamSize,0] 具体做法是以此次双击三个CreateLine后，如下图修改线条属性。

图 3－45 修改起始点坐标来改变多边形 Chamcut1 的边长

7． 修改 Chamcut1 的位移矢量。 在操作历史树中,点击patch前+号将其层层展开直到看到Move(patch－>Chamcut1－>Move)；用鼠标双击Move后，出现位移矢量属性修改窗口。 将其中的Move Vector 从[-16mm –16mm 5mm]改为[patchStart,patchStart, SubHeight];

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图 3－46 修改 Chamcut1 的位移矢量

8． 建立变量之间的关系。 在project工作区选择hfopt_ismantenna设计，点击鼠标右键选择Design Properties项。

图 3－47 从 project 工作区更改设计变量

此时 HFSS 系统会弹出变量属性对话框；

将glaneStart设为-glaneSize/2； 将subStart设为-subSize/2； 将PatchStart设为-patchSize/2； 建立变量联系。

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图3－48建立变量联系

变量设置至此结束。

三.设置模型材料参数 1． 设置feed的材料为copper。

在操作历史树中选中feed；点击鼠标右键，选择Assign Material项。出现材料库对话框，选择copper后点击确定。

图3－49通过菜单进行材料分配操作

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图3－50 材料库对话框

2.模仿以上步骤把Substrate的材料设为Rogers4003。（提示：可用材料名在材料库中搜索） 3. air已被系统默认设置为真空，无需更改。

四.设置边界条件和激励源 1． 将air设置成辐射边界条件； 在操作历史树中选中air,单击鼠标右键，进入Assign Boundary选项，点击Raditation选项。此时HFSS系统提示你为此边界命名，我们把此边界命名为air。

图3－51 通过菜单设置边界条件

图3－52 为边界条件命名

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图3－53 设置air边界条件后的视窗

2． 将groundplane和patch设为finite conductivity； 在操作历史树中选中利用ctrl键同时选中groundplane和patch，单击鼠标右键，进入Assign Boundary选项，点击Finite Conductivity选项。此时HFSS系统提示你为此边界命名，使用默认设置即可。

图3－54 通过菜单设置边界条件

3． 为port设置激励源

在操作历史树中选中port,单击鼠标右键，进入Assign Excitation选项，点击Lumped port选项。此时HFSS系统绘自动弹出 Lumped Port :General对话框，我们将名称设为port1,其他接受系统默认值，点击“下一步 ”按钮,进入Lumped Port :Mode页。点击积分线(Integration

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Line)下的None选项并下拉，选择New Line，会出现Create Line 消息框。按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），输入起始点坐标(x=0mm,9.5mm,0mm), 按下Enter键后输入激励源矢量（dx=0mm,dy=-1mm,dz=0mm）。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标

图3－55 为端口设置激励类型

图3－56—1

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图3－56—2

图3－56—3

图3－56—4

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图3－56—5 图3－56 设置port1激励源的步骤

至此边界条件和激励源已分配完毕。

五.设置求解条件 在Project工作区选中Analysis项，点击鼠标右键，选择Add Solution Setup。

图3－57 在project区设置求解条件

这时会系统会弹出求解设置对话框，我们把参数设为： 点频为 2.45GHz, 最大迭带次数 10，最大误差 0.001

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图3－58 设置求解条件

在点频基础上进行扫频设定。在 project 工作区中点开 Analysis 前的“＋”号，选中点频设置 Setup1；点击鼠标右键，选择 Add Sweep 项。

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图 3－59 在 project 区设置扫频条件

确定扫频方式为 Fast,起始频率为 2GHz,终止频率 3GHz,分为 20 份；保留场。

图3－60 设置扫频条件

将求解的条件设好后， 我们来看看HFSS的前期工作是否完成，在HFSS菜单下，点击validation check。

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（或直接点击 图标）

图3－61 通过菜单进行验证操作

图3－62 通过验证

再次选中Project工作区的Analysis；点击鼠标右键，选中Analyze即可开始求解。

（或直接点击 图标）

图3－63 对问题进行分析

当求解过程结束后，在Message Manager窗口会有相应的提示。

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第四章 优化 本章中你的目标是：

√Parametric求解。

√优化求解

时间：完成这章的内容总共大约要20分钟。

一. Parametric求解 1．选择Project工作区的Optimetrics,点击鼠标右键，选择Add项进而选择Paramtric项。或

直接点击 图标。

图4－1 在project工作区设置Parametric

此时HFSS系统会弹出变量扫频对话框。

图4－2 添加Parametric变量

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2．点击Add按钮，我们来添加ChameSize和PatchSize两个变量。 首先点击Variable向下三角选择ChamSize， 接着选中Linear count（线性变化）；Start设为5mm,Stop设为7mm；Count为3; 最后点击Add按钮添加变量。 同样选中PatchSize; 接着选中Linear count（线性变化）；Start设为31mm,Stop设为33mm；Count为3。 最后点击Add按钮添加变量。 点击OK后返回。

图4－3 添加ChameSize变量

图4－4添加 PatchSize变量

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3．点击Table页，这里显示了我们刚才设置变量的9种组合选择。

图4－5 变量的组合选择

4．下面我们来定义几个输出变量。 点击Calulations页，点击Add按钮，选择Solution为Setup:LastAdaptive； 点击it Calculation按钮。

图4－6 Calulations页的操作

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此时出现Output Variables对话框；在Name项填入S11mag；在Report Type项选择 Model S Parameter；solution项选择 Setup:LastAdaptive；Category选择 S Parameter,Quantity 选择S(port1,port1),Function选择mag。点击Insert quantity Into Expression把以上所选加入表达式。最后点击Add完成加入变量的操作。

图4－7 加入输出变量S11mag 同样操作加入输出变量AxiaRatio和cost。他们的设置如下： AxiaRatio： Name 项 填 入 AxiaRatio ； 在 Report Type 项 选 择 Far Fields ； solution 项 选 择 Setup:LastAdaptive；Category选择Axia Ratio,Quantity 选择AxiaRatioValue,Function选择。点击Insert quantity Into Expression把以上所选加入表达式。 cost： Name项填入cost；在Report Type项选择 Far Fields；solution项选择 Setup:LastAdaptive；Category选择Axia Ratio,Quantity 选择AxiaRatioValue,Function选择。点击 Insert quantity Into Expression把以上所选加入表达式,并在已经得到的表达式前加入运算号”10×”； 最终表达式为10*log(AxialRatioValue)； 最后点击Done后返回。

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图4－8 加入输出变量AxiaRatio

图4－9 加入输出变量cost

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在Calculation项选择S11mag后点击确定返回。

图4－10 选择S11mag作为输出变量 5．在Project工作区选择ParametricSetup1,点击鼠标右键选择Analyze求解。

图4－11 求解

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6．在Project工作区选择ParametricSetup1,点击鼠标右键选择View Analysis Result查看求得的结果。

图4－12 查看求解结果

图4－13 求解结果（图形解）

图4－14求解结果（表格解）

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二. 优化求解 1．首先我们定义几个优化变量及其范围。 在project工作区选择hfopt_ismantenna设计，点击鼠标右键选择Design Properties项。

图 4－15 从 project 工作区更改优化变量

此时 HFSS 系统会弹出变量属性对话框；选择 Optimization.在 PatchSize 右的 Include 打

上勾，并设其最小值为 30mm, 最大值为 30.5mm；同样设置 ChamSize 设其最小值为 5mm, 最大值为 5.5mm。

图4－16 设置优化变量

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2． 设一个远区辐射场。 在project工作区选择Radiation，点击鼠标右键选择Insert Far Field Setup项,选择infinite Sphere。

图4－17设置远区辐射场

此时会弹出辐射场特性对话框，我们主要关心Phi=0,Theta=0的情况。所以把接Phi的Stop

设为0deg; Theta的Stop设为0deg

图4－18远区辐射场属性对话框

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3． 设置优化函数。 选择Project工作区的Optimetrics,点击鼠标右键，选择Add项进而选择optimization项。或

直接点击 图标。

图4－19 在project工作区设置optimization 此时HFSS系统会弹出optimization设置对话框。

图4－20optimization设置对话框

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点击add按钮，添加一个优化函数。

选择Solution为Setup1:LastAdptive;calculation为cost.

图4－21选择cost为优化函数

设置Goal为[0,0];(目标函数趋近值)Weight（权值）为[1,1]；Max.No. of(最大迭代步数)为100； Acceptable(可接受误差):0.01。

图4－22设置优化目标

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点 击 Viariables 页 ， 点 击 Advanced 按 钮 ， 将 ChamSize 和 PatchSize 的 初 始 点 为5.1mm,30.1mm。

图4－23改变变量的初始点 4． 在Project工作区选择OptimizationSetup1,点击鼠标右键选择Analyze求解。

图4－24 求解

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7． 查看结果。 在Project工作区选择OptimizationSetup1,点击鼠标右键选择View Analysis Result查看求

得的结果。由下图可知当ChamSize=5.25669395451196mm;PatchSize=30.1540923411285mm时cost（轴比趋于1）达到要求，此时点击apply键即可改变原结构，实现优化。

图4－25 查看求解结果

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