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ANSYS HFSS 高頻電磁場(chǎng)仿真 - 功能特色與解決方案
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作者:shbasewin
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發(fā)布時(shí)間: 2019-11-18
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特色功能
高頻求解工具箱
ANSYS HFSS是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的電磁仿真工具，特別針對(duì)射頻、微波以及信號(hào)完整性設(shè)計(jì)領(lǐng)域，是分析任何基于電磁場(chǎng)、電流或電壓工作的物理結(jié)構(gòu)的絕佳工具。
作為基于頻域有限元技術(shù)的三維全波電磁場(chǎng)求解器，HFSS可提取散射參數(shù)，顯示三維電磁場(chǎng)圖，生成遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖，以及提供ANSYS的全波SPICE模型，該模型可用在ANSYS Designer和其他信號(hào)完整性分析工具中。
射頻與微波
長(zhǎng)久以來(lái)，HFSS一直被射頻和微波工程師用來(lái)設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)，雷達(dá)系統(tǒng)，衛(wèi)星，智能手機(jī)和平板設(shè)備中的高頻組件。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了很高的仿真精度，解決了多方面的射頻和微波工程中的挑戰(zhàn)性問題，而這些都大大受益于自動(dòng)網(wǎng)格剖分功能。最終的結(jié)果是實(shí)現(xiàn)了理想的求解精度和求解時(shí)間。
信號(hào)完整性
使用HFSS，工程師可以輕松地設(shè)計(jì)并評(píng)估連接器，傳輸線及印刷電路板（PCB）上的過孔，計(jì)算服務(wù)器及存儲(chǔ)設(shè)備中使用的高速元件，多媒體電腦，娛樂系統(tǒng)和電信系統(tǒng)中的信號(hào)完整性和電磁干擾性能。千秋各地工程師團(tuán)隊(duì)幾乎都在利用ANSYS的工具給他們的設(shè)計(jì)帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
按需求解（SoD）技術(shù)
如果用戶不熟悉在HFSS中的三維建模，創(chuàng)建一個(gè)完整且可求解的三維模型將非常復(fù)雜而又費(fèi)時(shí)：該過程包括設(shè)置源位置或激勵(lì)方式，定義求解空間及邊界，以及求解頻率掃描范圍等。
按需求解技術(shù)使用戶直接從直觀的，層疊式ANSYS Designer界面使用HFSS求解器。這個(gè)接口可方便工程師在一個(gè)更熟悉的二維布線建模環(huán)境下實(shí)現(xiàn)三維HFSS的仿真精度和可靠性。比如，用戶也可以從他熟悉的工具Cadence ECAD環(huán)境啟用按需求解功能。
HFSS的按需求解對(duì)電磁模型的ECAD導(dǎo)入，畫圖和參數(shù)化等功能進(jìn)行了優(yōu)化。它支持傳統(tǒng)的ECAD原型，如過孔焊盤，走線，引線結(jié)合和焊球。由于模型被修改后只需優(yōu)化模型某一特定部分，如過渡組件，連接器或無(wú)源器件在印刷電路板上的芯片或封裝過程，按需求解技術(shù)將具有顯著優(yōu)勢(shì)。
先進(jìn)的求解選項(xiàng)
在成熟的有限元方法基礎(chǔ)上，HFSS還提供了多種先進(jìn)的求解技術(shù)。通過混合求解技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高效率的電磁場(chǎng)計(jì)算并保持精度，在大多數(shù)情況下，可在鏈接工程中通過混合求解技術(shù)收益。
積分方程（IE）和有限單元邊界積分法（FE-BI）
積分方程（IE）求解器是求解大型導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的輻射、散射問題的有效補(bǔ)充工具，它采用矩量法（MoM）和多層快速多極子（MLFMM）求解得到導(dǎo)體和介質(zhì)表面的電流分布。積分方程方法同樣采用與HFSS一致的界面，可與HFSS共享幾何，材料以及某些關(guān)鍵求解技術(shù)，如自動(dòng)產(chǎn)生優(yōu)化網(wǎng)格的自適應(yīng)迭代技術(shù)。IE求解器采用自適應(yīng)交叉近似（ACA）方法結(jié)合迭代矩陣求解器減少內(nèi)存需求，使得用戶可將其應(yīng)用于大規(guī)模問題分析。
瞬態(tài)求解（Transient）
HFSS transient是一個(gè)基于間斷伽遼金時(shí)域算法（DGTD）和隱式有限元時(shí)域法（FETD）的三維全波瞬態(tài)/時(shí)域電磁場(chǎng)求解器?？捎萌魏纬Ｒ?guī)時(shí)域脈沖或余弦定義的脈沖信號(hào)激勵(lì)，該模塊可以很容易完成時(shí)域有關(guān)仿真分析，如時(shí)域反射阻抗（TDR）計(jì)算等。另外，可以求解短周期脈沖激勵(lì)問題，如探地雷達(dá)，經(jīng)典放電，電磁干擾及閃電等問題。該四面體有限元技術(shù)同樣基于HFSS所采用的自動(dòng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，該瞬態(tài)分析工具是HFSS這個(gè)傳統(tǒng)頻域分析工具的一個(gè)理想的補(bǔ)充。
物理光學(xué)（PO）
物理光學(xué)求解功能非常適合分析超電大結(jié)構(gòu)。PO可用來(lái)設(shè)計(jì)大型反射面天線，衛(wèi)星或其它天線載體平臺(tái)，如商用或軍用飛機(jī)。該算法求解非?？焖?，且占用計(jì)算資源極少，從而可快速洞察與大型電磁結(jié)構(gòu)有關(guān)的設(shè)計(jì)因素。
HPC求解大規(guī)模電磁仿真問題
區(qū)域分解法
區(qū)域分解方法（DDM）利用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)資源來(lái)仿真大規(guī)模問題。HFSS根據(jù)網(wǎng)格尺寸與可用的處理器/機(jī)器數(shù)目確定子域數(shù)據(jù)；DDM自動(dòng)將有限元網(wǎng)格分解成一系列子域問題。每一個(gè)子域模型獨(dú)立求解，子域直接通過交互迭代完成整個(gè)過程的求解。這種網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存訪問的過程擴(kuò)展后可完成單個(gè)機(jī)器資源無(wú)法計(jì)算的大規(guī)模求解。此外，DDM可減少求解時(shí)間，降低總的內(nèi)存需求，在很多案例中通過額外的處理器可實(shí)現(xiàn)超線性的加速比。
譜區(qū)域分解法
通過譜區(qū)域分解法（SDM），可以將寬帶頻率掃描頻點(diǎn)分布到一定數(shù)目的處理器或者機(jī)器上。這種節(jié)約時(shí)間的方法自動(dòng)將頻點(diǎn)分布到各個(gè)獨(dú)立的機(jī)器上去計(jì)算，完成后重新收集得到整個(gè)頻率的數(shù)據(jù)。這種獨(dú)特的方法顯著縮短了獲得高精度寬帶散射參數(shù)所需要的仿真時(shí)間。
分布式計(jì)算
分布式計(jì)算選項(xiàng)（DSO）可分配參數(shù)掃描，以完成幾何形狀，材料，邊界和激勵(lì)等條件變化的設(shè)計(jì)探索。該選項(xiàng)模塊可將多個(gè)預(yù)先定義的參數(shù)設(shè)計(jì)組合分配在不同的計(jì)算機(jī)上，完成每個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例的分析。DSO顯著加快給定設(shè)計(jì)任務(wù)的參數(shù)掃描和設(shè)計(jì)優(yōu)化，提供了高水平的分布式仿真的計(jì)算性能及并行化。
多處理器選項(xiàng)
多處理器（MP）技術(shù)采用單個(gè)共享內(nèi)存機(jī)器上多個(gè)核心并行完成HFSS有限元或積分方程求解的功能。MP可用來(lái)加速求解過程的某些部分——如矩陣分解，剖分網(wǎng)格和場(chǎng)恢復(fù)——從而使得總的求解時(shí)間更短。
有限大陣列仿真（fDDM）
有限大陣列仿真功能利用區(qū)域分解法以及陣列的重復(fù)性，高效且全面的分析得到有限大陣列的特性。利用這個(gè)功能，可以考慮所有單元之間的相互耦合作用，以及陣列的邊緣效應(yīng)。有限大陣列仿真方法需要極少的計(jì)算資源，所以可在很短的時(shí)間內(nèi)完成有限大陣列仿真。
HFSS采用多處理器，分布式計(jì)算及HPC技術(shù)利用了現(xiàn)代計(jì)算硬件的優(yōu)勢(shì)。
高頻求解工具箱
ANSYS HFSS是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的電磁仿真工具，特別針對(duì)射頻、微波以及信號(hào)完整性設(shè)計(jì)領(lǐng)域，是分析任何基于電磁場(chǎng)、電流或電壓工作的物理結(jié)構(gòu)的絕佳工具。
作為基于頻域有限元技術(shù)的三維全波電磁場(chǎng)求解器，HFSS可提取散射參數(shù)，顯示三維電磁場(chǎng)圖，生成遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖，以及提供ANSYS的全波SPICE模型，該模型可用在ANSYS Designer和其他信號(hào)完整性分析工具中。
射頻與微波
長(zhǎng)久以來(lái)，HFSS一直被射頻和微波工程師用來(lái)設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)，雷達(dá)系統(tǒng)，衛(wèi)星，智能手機(jī)和平板設(shè)備中的高頻組件。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了很高的仿真精度，解決了多方面的射頻和微波工程中的挑戰(zhàn)性問題，而這些都大大受益于自動(dòng)網(wǎng)格剖分功能。最終的結(jié)果是實(shí)現(xiàn)了理想的求解精度和求解時(shí)間。
信號(hào)完整性
使用HFSS，工程師可以輕松地設(shè)計(jì)并評(píng)估連接器，傳輸線及印刷電路板（PCB）上的過孔，計(jì)算服務(wù)器及存儲(chǔ)設(shè)備中使用的高速元件，多媒體電腦，娛樂系統(tǒng)和電信系統(tǒng)中的信號(hào)完整性和電磁干擾性能。千秋各地工程師團(tuán)隊(duì)幾乎都在利用ANSYS的工具給他們的設(shè)計(jì)帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備用到電磁場(chǎng)，如磁共振成像（MRI），植入物及熱療等。在MRI應(yīng)用中，HFSS可用來(lái)仿真人體的比吸率（SAR）
HFSS射頻和微波應(yīng)用：7X7 WR90波導(dǎo)陣列，掃面叫為theta角從-45到+45度
按需求解（SoD）技術(shù)
如果用戶不熟悉在HFSS中的三維建模，創(chuàng)建一個(gè)完整且可求解的三維模型將非常復(fù)雜而又費(fèi)時(shí)：該過程包括設(shè)置源位置或激勵(lì)方式，定義求解空間及邊界，以及求解頻率掃描范圍等。
按需求解技術(shù)使用戶直接從直觀的，層疊式ANSYS Designer界面使用HFSS求解器。這個(gè)接口可方便工程師在一個(gè)更熟悉的二維布線建模環(huán)境下實(shí)現(xiàn)三維HFSS的仿真精度和可靠性。比如，用戶也可以從他熟悉的工具Cadence ECAD環(huán)境啟用按需求解功能。
HFSS的按需求解對(duì)電磁模型的ECAD導(dǎo)入，畫圖和參數(shù)化等功能進(jìn)行了優(yōu)化。它支持傳統(tǒng)的ECAD原型，如過孔焊盤，走線，引線結(jié)合和焊球。由于模型被修改后只需優(yōu)化模型某一特定部分，如過渡組件，連接器或無(wú)源器件在印刷電路板上的芯片或封裝過程，按需求解技術(shù)將具有顯著優(yōu)勢(shì)。
按需求解（SoD）技術(shù)科調(diào)用具備強(qiáng)大功能的HFSS三維有限元求解器，同時(shí)使得模型創(chuàng)建簡(jiǎn)單和快速
路板上的芯片或封裝過程，按需求解技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)
先進(jìn)的求解選項(xiàng)
在成熟的有限元方法基礎(chǔ)上，HFSS還提供了多種先進(jìn)的求解技術(shù)。通過混合求解技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高效率的電磁場(chǎng)計(jì)算并保持精度，在大多數(shù)情況下，可在鏈接工程中通過混合求解技術(shù)收益。
積分方程（IE）和有限單元邊界積分法（FE-BI）
積分方程（IE）求解器是求解大型導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的輻射、散射問題的有效補(bǔ)充工具，它采用矩量法（MoM）和多層快速多極子（MLFMM）求解得到導(dǎo)體和介質(zhì)表面的電流分布。積分方程方法同樣采用與HFSS一致的界面，可與HFSS共享幾何，材料以及某些關(guān)鍵求解技術(shù)，如自動(dòng)產(chǎn)生優(yōu)化網(wǎng)格的自適應(yīng)迭代技術(shù)。IE求解器采用自適應(yīng)交叉近似（ACA）方法結(jié)合迭代矩陣求解器減少內(nèi)存需求，使得用戶可將其應(yīng)用于大規(guī)模問題分析。
采用HFSS混合FE-BI求解的帶罩天線
瞬態(tài)求解（Transient）
HFSS transient是一個(gè)基于間斷伽遼金時(shí)域算法（DGTD）和隱式有限元時(shí)域法（FETD）的三維全波瞬態(tài)/時(shí)域電磁場(chǎng)求解器?？捎萌魏纬Ｒ?guī)時(shí)域脈沖或余弦定義的脈沖信號(hào)激勵(lì)，該模塊可以很容易完成時(shí)域有關(guān)仿真分析，如時(shí)域反射阻抗（TDR）計(jì)算等。另外，可以求解短周期脈沖激勵(lì)問題，如探地雷達(dá)，經(jīng)典放電，電磁干擾及閃電等問題。該四面體有限元技術(shù)同樣基于HFSS所采用的自動(dòng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，該瞬態(tài)分析工具是HFSS這個(gè)傳統(tǒng)頻域分析工具的一個(gè)理想的補(bǔ)充。
采用HFSS共形有限元瞬態(tài)求解的查分信號(hào)通過彎曲電纜的時(shí)域傳輸分析
物理光學(xué)（PO）
物理光學(xué)求解功能非常適合分析超電大結(jié)構(gòu)。PO可用來(lái)設(shè)計(jì)大型反射面天線，衛(wèi)星或其它天線載體平臺(tái)，如商用或軍用飛機(jī)。該算法求解非?？焖?，且占用計(jì)算資源極少，從而可快速洞察與大型電磁結(jié)構(gòu)有關(guān)的設(shè)計(jì)因素。
采用HFSS中物理光學(xué)求解得到的國(guó)際空間站上天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖
HPC求解大規(guī)模電磁仿真問題
區(qū)域分解法
區(qū)域分解方法（DDM）利用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)資源來(lái)仿真大規(guī)模問題。HFSS根據(jù)網(wǎng)格尺寸與可用的處理器/機(jī)器數(shù)目確定子域數(shù)據(jù)；DDM自動(dòng)將有限元網(wǎng)格分解成一系列子域問題。每一個(gè)子域模型獨(dú)立求解，子域直接通過交互迭代完成整個(gè)過程的求解。這種網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存訪問的過程擴(kuò)展后可完成單個(gè)機(jī)器資源無(wú)法計(jì)算的大規(guī)模求解。此外，DDM可減少求解時(shí)間，降低總的內(nèi)存需求，在很多案例中通過額外的處理器可實(shí)現(xiàn)超線性的加速比。
區(qū)域分解法促進(jìn)創(chuàng)新，使原本以為無(wú)法解決的問題得到有效解決
該模型綜合采用了混合算法和域分解技術(shù)，與上一版本相比，內(nèi)存小號(hào)僅為1/9，運(yùn)算速度卻提升了8.5倍
譜區(qū)域分解法
通過譜區(qū)域分解法（SDM），可以將寬帶頻率掃描頻點(diǎn)分布到一定數(shù)目的處理器或者機(jī)器上。這種節(jié)約時(shí)間的方法自動(dòng)將頻點(diǎn)分布到各個(gè)獨(dú)立的機(jī)器上去計(jì)算，完成后重新收集得到整個(gè)頻率的數(shù)據(jù)。這種獨(dú)特的方法顯著縮短了獲得高精度寬帶散射參數(shù)所需要的仿真時(shí)間。
分布式計(jì)算
分布式計(jì)算選項(xiàng)（DSO）可分配參數(shù)掃描，以完成幾何形狀，材料，邊界和激勵(lì)等條件變化的設(shè)計(jì)探索。該選項(xiàng)模塊可將多個(gè)預(yù)先定義的參數(shù)設(shè)計(jì)組合分配在不同的計(jì)算機(jī)上，完成每個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例的分析。DSO顯著加快給定設(shè)計(jì)任務(wù)的參數(shù)掃描和設(shè)計(jì)優(yōu)化，提供了高水平的分布式仿真的計(jì)算性能及并行化。
ANSYS的分布式求解能力允許用戶將參數(shù)掃描或者頻率掃描任務(wù)分配到一定數(shù)量的計(jì)算機(jī)上，加快總的模擬速度。與分布頻率掃描一樣，工程師們可以仿真模擬不同幾何形狀、材料、邊界和激勵(lì)的情況。這可以讓團(tuán)隊(duì)更輕松地優(yōu)化設(shè)計(jì)，完成統(tǒng)計(jì)分析和敏感度分析。
8個(gè)任務(wù)并行仿真，耗時(shí)僅為單任務(wù)運(yùn)行的1/7
多處理器選項(xiàng)
多處理器（MP）技術(shù)采用單個(gè)共享內(nèi)存機(jī)器上多個(gè)核心并行完成HFSS有限元或積分方程求解的功能。MP可用來(lái)加速求解過程的某些部分——如矩陣分解，剖分網(wǎng)格和場(chǎng)恢復(fù)——從而使得總的求解時(shí)間更短。
有限大陣列仿真（fDDM）
有限大陣列仿真功能利用區(qū)域分解法以及陣列的重復(fù)性，高效且全面的分析得到有限大陣列的特性。利用這個(gè)功能，可以考慮所有單元之間的相互耦合作用，以及陣列的邊緣效應(yīng)。有限大陣列仿真方法需要極少的計(jì)算資源，所以可在很短的時(shí)間內(nèi)完成有限大陣列仿真。
采用有限陣列區(qū)域分解算法模擬的256單元雙極化Vivaldi天線陣列，以及疊加在幾何之上的多掃描角的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖
HFSS采用多處理器，分布式計(jì)算及HPC技術(shù)利用了現(xiàn)代計(jì)算硬件的優(yōu)勢(shì)。
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