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ANSYS HFSS 高頻電磁場仿真 - 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)標準的電磁仿真工具，特別針對射頻、微波以及信號完整性設計領域，是分析任何基于電磁場、電流或電壓工作的物理結構的絕佳工具。
作為基于頻域有限元技術的三維全波電磁場求解器，HFSS可提取散射參數(shù)，顯示三維電磁場圖，生成遠場輻射方向圖，以及提供ANSYS的全波SPICE模型，該模型可用在ANSYS Designer和其他信號完整性分析工具中。
射頻與微波
長久以來，HFSS一直被射頻和微波工程師用來設計通信系統(tǒng)，雷達系統(tǒng)，衛(wèi)星，智能手機和平板設備中的高頻組件。該技術實現(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網(wǎng)格剖分功能。最終的結果是實現(xiàn)了理想的求解精度和求解時間。
信號完整性
使用HFSS，工程師可以輕松地設計并評估連接器，傳輸線及印刷電路板（PCB）上的過孔，計算服務器及存儲設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)中的信號完整性和電磁干擾性能。千秋各地工程師團隊幾乎都在利用ANSYS的工具給他們的設計帶來競爭優(yōu)勢。
按需求解（SoD）技術
如果用戶不熟悉在HFSS中的三維建模，創(chuàng)建一個完整且可求解的三維模型將非常復雜而又費時：該過程包括設置源位置或激勵方式，定義求解空間及邊界，以及求解頻率掃描范圍等。
按需求解技術使用戶直接從直觀的，層疊式ANSYS Designer界面使用HFSS求解器。這個接口可方便工程師在一個更熟悉的二維布線建模環(huán)境下實現(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的按需求解對電磁模型的ECAD導入，畫圖和參數(shù)化等功能進行了優(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，連接器或無源器件在印刷電路板上的芯片或封裝過程，按需求解技術將具有顯著優(yōu)勢。
先進的求解選項
在成熟的有限元方法基礎上，HFSS還提供了多種先進的求解技術。通過混合求解技術實現(xiàn)更高效率的電磁場計算并保持精度，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體結構的輻射、散射問題的有效補充工具，它采用矩量法（MoM）和多層快速多極子（MLFMM）求解得到導體和介質表面的電流分布。積分方程方法同樣采用與HFSS一致的界面，可與HFSS共享幾何，材料以及某些關鍵求解技術，如自動產(chǎn)生優(yōu)化網(wǎng)格的自適應迭代技術。IE求解器采用自適應交叉近似（ACA）方法結合迭代矩陣求解器減少內存需求，使得用戶可將其應用于大規(guī)模問題分析。
瞬態(tài)求解（Transient）
HFSS transient是一個基于間斷伽遼金時域算法（DGTD）和隱式有限元時域法（FETD）的三維全波瞬態(tài)/時域電磁場求解器?？捎萌魏纬Ｒ?guī)時域脈沖或余弦定義的脈沖信號激勵，該模塊可以很容易完成時域有關仿真分析，如時域反射阻抗（TDR）計算等。另外，可以求解短周期脈沖激勵問題，如探地雷達，經(jīng)典放電，電磁干擾及閃電等問題。該四面體有限元技術同樣基于HFSS所采用的自動網(wǎng)格剖分技術，該瞬態(tài)分析工具是HFSS這個傳統(tǒng)頻域分析工具的一個理想的補充。
物理光學（PO）
物理光學求解功能非常適合分析超電大結構。PO可用來設計大型反射面天線，衛(wèi)星或其它天線載體平臺，如商用或軍用飛機。該算法求解非?？焖?，且占用計算資源極少，從而可快速洞察與大型電磁結構有關的設計因素。
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)絡計算機資源來仿真大規(guī)模問題。HFSS根據(jù)網(wǎng)格尺寸與可用的處理器/機器數(shù)目確定子域數(shù)據(jù)；DDM自動將有限元網(wǎng)格分解成一系列子域問題。每一個子域模型獨立求解，子域直接通過交互迭代完成整個過程的求解。這種網(wǎng)絡內存訪問的過程擴展后可完成單個機器資源無法計算的大規(guī)模求解。此外，DDM可減少求解時間，降低總的內存需求，在很多案例中通過額外的處理器可實現(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分布到一定數(shù)目的處理器或者機器上。這種節(jié)約時間的方法自動將頻點分布到各個獨立的機器上去計算，完成后重新收集得到整個頻率的數(shù)據(jù)。這種獨特的方法顯著縮短了獲得高精度寬帶散射參數(shù)所需要的仿真時間。
分布式計算
分布式計算選項（DSO）可分配參數(shù)掃描，以完成幾何形狀，材料，邊界和激勵等條件變化的設計探索。該選項模塊可將多個預先定義的參數(shù)設計組合分配在不同的計算機上，完成每個設計實例的分析。DSO顯著加快給定設計任務的參數(shù)掃描和設計優(yōu)化，提供了高水平的分布式仿真的計算性能及并行化。
多處理器選項
多處理器（MP）技術采用單個共享內存機器上多個核心并行完成HFSS有限元或積分方程求解的功能。MP可用來加速求解過程的某些部分——如矩陣分解，剖分網(wǎng)格和場恢復——從而使得總的求解時間更短。
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性，高效且全面的分析得到有限大陣列的特性。利用這個功能，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。有限大陣列仿真方法需要極少的計算資源，所以可在很短的時間內完成有限大陣列仿真。
HFSS采用多處理器，分布式計算及HPC技術利用了現(xiàn)代計算硬件的優(yōu)勢。
高頻求解工具箱
ANSYS HFSS是行業(yè)標準的電磁仿真工具，特別針對射頻、微波以及信號完整性設計領域，是分析任何基于電磁場、電流或電壓工作的物理結構的絕佳工具。
作為基于頻域有限元技術的三維全波電磁場求解器，HFSS可提取散射參數(shù)，顯示三維電磁場圖，生成遠場輻射方向圖，以及提供ANSYS的全波SPICE模型，該模型可用在ANSYS Designer和其他信號完整性分析工具中。
射頻與微波
長久以來，HFSS一直被射頻和微波工程師用來設計通信系統(tǒng)，雷達系統(tǒng)，衛(wèi)星，智能手機和平板設備中的高頻組件。該技術實現(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網(wǎng)格剖分功能。最終的結果是實現(xiàn)了理想的求解精度和求解時間。
信號完整性
使用HFSS，工程師可以輕松地設計并評估連接器，傳輸線及印刷電路板（PCB）上的過孔，計算服務器及存儲設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)中的信號完整性和電磁干擾性能。千秋各地工程師團隊幾乎都在利用ANSYS的工具給他們的設計帶來競爭優(yōu)勢。
先進的醫(yī)療設備用到電磁場，如磁共振成像（MRI），植入物及熱療等。在MRI應用中，HFSS可用來仿真人體的比吸率（SAR）
HFSS射頻和微波應用：7X7 WR90波導陣列，掃面叫為theta角從-45到+45度
按需求解（SoD）技術
如果用戶不熟悉在HFSS中的三維建模，創(chuàng)建一個完整且可求解的三維模型將非常復雜而又費時：該過程包括設置源位置或激勵方式，定義求解空間及邊界，以及求解頻率掃描范圍等。
按需求解技術使用戶直接從直觀的，層疊式ANSYS Designer界面使用HFSS求解器。這個接口可方便工程師在一個更熟悉的二維布線建模環(huán)境下實現(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的按需求解對電磁模型的ECAD導入，畫圖和參數(shù)化等功能進行了優(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，連接器或無源器件在印刷電路板上的芯片或封裝過程，按需求解技術將具有顯著優(yōu)勢。
按需求解（SoD）技術科調用具備強大功能的HFSS三維有限元求解器，同時使得模型創(chuàng)建簡單和快速
路板上的芯片或封裝過程，按需求解技術具有顯著優(yōu)勢
先進的求解選項
在成熟的有限元方法基礎上，HFSS還提供了多種先進的求解技術。通過混合求解技術實現(xiàn)更高效率的電磁場計算并保持精度，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體結構的輻射、散射問題的有效補充工具，它采用矩量法（MoM）和多層快速多極子（MLFMM）求解得到導體和介質表面的電流分布。積分方程方法同樣采用與HFSS一致的界面，可與HFSS共享幾何，材料以及某些關鍵求解技術，如自動產(chǎn)生優(yōu)化網(wǎng)格的自適應迭代技術。IE求解器采用自適應交叉近似（ACA）方法結合迭代矩陣求解器減少內存需求，使得用戶可將其應用于大規(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是一個基于間斷伽遼金時域算法（DGTD）和隱式有限元時域法（FETD）的三維全波瞬態(tài)/時域電磁場求解器?？捎萌魏纬Ｒ?guī)時域脈沖或余弦定義的脈沖信號激勵，該模塊可以很容易完成時域有關仿真分析，如時域反射阻抗（TDR）計算等。另外，可以求解短周期脈沖激勵問題，如探地雷達，經(jīng)典放電，電磁干擾及閃電等問題。該四面體有限元技術同樣基于HFSS所采用的自動網(wǎng)格剖分技術，該瞬態(tài)分析工具是HFSS這個傳統(tǒng)頻域分析工具的一個理想的補充。
采用HFSS共形有限元瞬態(tài)求解的查分信號通過彎曲電纜的時域傳輸分析
物理光學（PO）
物理光學求解功能非常適合分析超電大結構。PO可用來設計大型反射面天線，衛(wèi)星或其它天線載體平臺，如商用或軍用飛機。該算法求解非?？焖?，且占用計算資源極少，從而可快速洞察與大型電磁結構有關的設計因素。
采用HFSS中物理光學求解得到的國際空間站上天線的遠場方向圖
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)絡計算機資源來仿真大規(guī)模問題。HFSS根據(jù)網(wǎng)格尺寸與可用的處理器/機器數(shù)目確定子域數(shù)據(jù)；DDM自動將有限元網(wǎng)格分解成一系列子域問題。每一個子域模型獨立求解，子域直接通過交互迭代完成整個過程的求解。這種網(wǎng)絡內存訪問的過程擴展后可完成單個機器資源無法計算的大規(guī)模求解。此外，DDM可減少求解時間，降低總的內存需求，在很多案例中通過額外的處理器可實現(xiàn)超線性的加速比。
區(qū)域分解法促進創(chuàng)新，使原本以為無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，與上一版本相比，內存小號僅為1/9，運算速度卻提升了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分布到一定數(shù)目的處理器或者機器上。這種節(jié)約時間的方法自動將頻點分布到各個獨立的機器上去計算，完成后重新收集得到整個頻率的數(shù)據(jù)。這種獨特的方法顯著縮短了獲得高精度寬帶散射參數(shù)所需要的仿真時間。
分布式計算
分布式計算選項（DSO）可分配參數(shù)掃描，以完成幾何形狀，材料，邊界和激勵等條件變化的設計探索。該選項模塊可將多個預先定義的參數(shù)設計組合分配在不同的計算機上，完成每個設計實例的分析。DSO顯著加快給定設計任務的參數(shù)掃描和設計優(yōu)化，提供了高水平的分布式仿真的計算性能及并行化。
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分配到一定數(shù)量的計算機上，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、邊界和激勵的情況。這可以讓團隊更輕松地優(yōu)化設計，完成統(tǒng)計分析和敏感度分析。
8個任務并行仿真，耗時僅為單任務運行的1/7
多處理器選項
多處理器（MP）技術采用單個共享內存機器上多個核心并行完成HFSS有限元或積分方程求解的功能。MP可用來加速求解過程的某些部分——如矩陣分解，剖分網(wǎng)格和場恢復——從而使得總的求解時間更短。
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性，高效且全面的分析得到有限大陣列的特性。利用這個功能，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。有限大陣列仿真方法需要極少的計算資源，所以可在很短的時間內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場方向圖
HFSS采用多處理器，分布式計算及HPC技術利用了現(xiàn)代計算硬件的優(yōu)勢。
