Ka波段波导耦合器的设计与仿真(3)
1.2 HFSS软件介绍
HFSS(High Frequency Structure Simulator)是ANSOFT公司推出的三文电磁仿真软件；是世界上第一个商业化的三文结构电磁场仿真软件，业界公认的三文电磁场设计和分析的工业标准。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三文无源结构的S参数和全波电磁场。
ANSOFT HFSS充分利用了如自动匹配网格产生及加密、切线向矢量有限元、ALPS(Adaptive Lanczos Pade Sweep)和模式-节点转换（Mode-node）等先进技术，从而使工程师们可利用有限元法(FEM) 在自己的电脑对任意形状的三文无源结构进行电磁场仿真。HFSS自动计算多个自适应的解决方案，直到满足用户指定的收敛要求值。其基于MAXWELL方程的场求解方案能精确预测所有高频性能，如散射、模式转换、材料和辐射引起的损耗等。
用高效的计算机虚拟模型取代费时费力的“cut-and-try”试验方法，可大大缩短设计周期。仿真分析诸如天线、微波转换器、发射设备、波导器件、射频滤波器和任意三文非连续性等复杂问题，已简单化成只需画结构图、定义材料性能、设置端口和边界条件。HFSS自动产生场求解方案、端口特性和s-参数。其s-参数结果可输出到通用的线形和非线形电路仿真器中使用。
HFSS是一种快速、可靠的解算器技术。1990年推出的HFSS是全球第一个能仿真复杂3D几何的商用电磁场仿真软件。该软件神奇地把FEM的强大功能带给了射频、微波设计师，因此很快得到了普及。此后，软件不断升级改进，先后增添了如：开放区天线设计、铁氧体材料分析、宽带快速频率扫描、超宽带插值扫频、集中RLC加载、全波SPICE以及其他新功能。
ANSOFT HFSS的核心是，业已证明了的真正可靠、精确、快速的第吹冰代FEM解算器。工程师完全可以相信利用ANSOFT HFSS设计的产品性能与仿真结果是一致的。
ANSOFT HFSS的自适应网格加密技术使FEM方法得以实用化。初始网格（将几何子分为四面体单元）的产生是以几何结构形状为基础的，利用初始网格可以快速解算并提供场解信息，以区分出高场强或大梯度的场分布区域。然后只在需要的区域将网格加密细化，其迭代法求解技术节省计算资源并获得最大精确度。必要时还可方便地使用人工网格化来引导优化加速网格细化匹配的解决方案。
HFSS采用高阶基函数、对称性和周期边界等方法，从而节省计算时间和内存，进一步加大求解问题的规模并加速求解的速度。
针对特大型结构问题，最新版的HFSS又是全球第一个具有基于64位处理器技术的求解器，因此可利用其超大的RAM容量（高达20GB）从而可使求解问题的规模再提高10倍以上。
总之，ANSOFT HFSS利用其独特先进的自适应网格剖分和算法技术，通过合理优化减少网格总数、节省单位网格的计算资源，同时充分利用64位机的超大的RAM容量，最终完成大规模问题和高精确度的电磁场求解仿真。
1.3本文的主要研究及意义
本文研究内容：
调研国内外毫米波波导耦合器的设计的发展状况和未来的发展趋势，并在此基础上选择合理的结构，设计一款插入损耗小于0.2dB，耦合度40dB的性能优良的Ka波段波导耦合器。通过对微波EDA软件HFSS的学习，确定总体实现方案并完成电路设计、腔体设计和仿真验证。
第一章介绍了本文研究的背景及意义。首先介绍了毫米波长的概念及意义。波长为10～1毫米的电磁波称毫米波；位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼有两种波谱的特点。毫米波由于其抗干扰能力强、分辩率高、穿透性好，因而被广泛应用与通讯导航和医疗技术中。