HFSS求解器类型与设置深度解析

求解类型

模式驱动求解（Driven Modal）

以模式为基础计算S参数，根据导波内各模式场的入射功率和反射功率来计算S参数矩阵的解

终端驱动求解（Driven Terminal）

以终端为基础计算多导体传输线端口的S参数，此时，根据传输线终端的电压和电流来计算S参数矩阵的解

本征模求解（Eigen mode）

本征模求解器主要用于谐振问题的设计分析，可以用于计算谐振结构的谐振频率和谐振频率处对应的场，也可以用于计算谐振腔体的无载Q值

应用本征模求解时，需要注意以下几方面：

不需要设置激励方式
不能定义辐射边界条件
不能进行扫频分析
不能包含铁氧体材料
只有场解结果，没有S参数求解结果

求解分析设置

HFSS软件采用有限元法（FEM）来分析三维物体的电磁特性，有限元求解问题的基本过程包括分析对象的离散化、有限元求解和计算结果的处理三个部分，研究对象的离散化时有限元法的第一步，HFSS软件采用自适应网络剖分技术，根据用户设置的误差标准，自动生成精确有效的网格，来完成分析对象的离散化。

自适应网格剖分

自适应网格剖分的原理

在分析对象内部搜索误差最大的区域并在该区域进行网格的细化，每次网格细化过程中增加百分比由用户事先设置。完成一次细化过程后，重新计算并搜索误差最大的区域，然后判断误差是否满足设置的收敛条件。如果满足收敛条件，则完成网格剖分；如果不满足收敛条件，继续下一次网格细化过程，直到满足收敛条件或者达到设置的最大迭代次数为止。

Pass：自适应网格剖分时，每一次网格细化的迭代过程在HFSS中成为一个"Pass“。

收敛误差的确定

自适应网格剖分过程中，每次网格细化后，HFSS会将基于当前网格的S参数（或者能量、频率）计算结果和上一次的计算结果相比较，如果求出的误差最大值小于设置的收敛标准，表示解已经收敛，自适应网格剖分计算完成。

HFSS使用最后一次剖分的网格进行点频和扫频计算。

不同的求解类型和端口激励方式对应不同的收敛误差判断方法，具体的收敛误差判断方法由ΔS、ΔE和ΔF

波端口激励和集总端口激励问题使用ΔS最大值作为收敛误差判断标准。
电压源激励、电流源激励、入射波激励和磁偏置激励问题使用ΔE最大值作为收敛误差判断标准。
对于本征模求解类型，HFSS自动使用ΔF最大值作为收敛误差判断标准。

以ΔS为例，ΔS定义为在自适应网格剖分过程中，每次网格细化前后S参数幅度的变化。

ΔS最大值定义为：

$Max_{ij}[mag({S^N}_{ij}-{S^{N-1}}_{ij})]$

式中，i和j表示矩阵中的元素，N表示迭代次数。

收敛设置

在设置收敛误差标准时，理论上把收敛误差设置的越小计算结果约精确，然而一方面，收敛误差设置的越小意味着迭代次数越多，有时过小的误差值会极大地增加HFSS的计算量；另一方面，在实际制造和实验室测量时都会有固定误差。

因此，HFSS只需要提供一定水平的准确性，这个准确性大于在真是世界中引入的固有误差就可以了。一般情况下，收敛误差使用HFSS系统默认值或者取默认值的1/2就足够了。

自适应网格剖分（求解频率）的选择

HFSS计算自适应网格剖分是在用户设定的单一频点上进行的，网格剖分完成后，同一个求解设置项下其他频点的求解，都是基于前面设定频点上所完成的网格划分。因此，自适应网格剖分频率的选择对最终求解的结果准确性有着重要的影响。

自适应频率设置的越高，网格剖分就越细，，网格个数就越多，计算结果也相应地更加准确，但同时计算过程所占用的计算机内存就越高，计算所花费的时间也就越长。

合适的自适应网格剖分频率的选择是在保证求解结果尽可能准确的前提下，占用尽可能少的计算机内存和花费尽可能短的计算时间。

几个常用问题类别的自适应频率的选择

点频或窄带问题：对于点频或者窄带问题，自适应网格剖分频率直接选择工作频率
宽带问题：对于宽带问题，应该选择最高频率作为自适应网格剖分频率
滤波器问题：对于滤波器问题，由于阻带内电场只存在于端口处，所以自适应频率选择在通带内的高频段
快速扫描问题：对于快速扫描问题，典型的做法就是选择中心频率作为自适应频率
告诉数字信号：对于高速数据信号完整性分析类问题，我们需要借助转折频率（Knee Frequency）来决定自适应网格剖分频率 $f_{knee}\approx \frac{0.5}{T_{r}}$

扫频分析

离散扫频（Discrete）：

离散扫频时在频带内的指定频点处计算S参数和场解。例如，指定频带范围为1~2GHz、步长为0.25GHz，则会计算在10GHz、1.25GHz、1.5GHz、1.75GHz、2GHz频点处的S参数和场解。默认情况下，使用离散扫频只保存最后计算的频带内的场解，上例中即只保存2GHz处的场解。用户如果希望保存指定的所有频点的场解，需要选中设置对话框中Save Fields复选框。

快速扫频（Fast）：

采用ALPS算法，在很宽的频带范围内搜寻传输函数的全部零、极点。快速扫频适用于谐振问题和高Q值问题的分析，可以得到场在谐振点附近行为的精确描述。

使用快速扫频，一般选择频带中心频率作为自适应网格剖分频率，进行网格剖分，计算处该频带的S参数和场分布，然后使用基于ALPS算法的求解器从中心频率处的S参数解和场解来外推整个频带范围的S参数解和场解。使用快速扫频，计算时只会求解中心频带内处的场解，但在数据后处理时整个扫频范围内的任意频点的场都可以显示。