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ANSYS HFSS 高頻電磁場仿真
Ansys HFSS:用于射頻和無線設計的三維電磁場仿真工具


Ansys HFSS是一款用于設計和模擬高頻電子產品(如天線、天線陣列、射頻或微波元件、高速互連、濾波器、連接器、IC封裝和印刷電路板)的三維電磁場仿真軟件。世界各地的工程師使用Ansys HFSS設計通信系統、雷達系統、高級駕駛輔助系統(ADAS)、衛星、物聯網(IOT)產品和其他高速射頻產品中的高速高頻設備。

HFSS采用多個求解器和直觀的圖形用戶界面,為您提供無與倫比的性能,幫助您深入洞察所有三維電磁問題。通過與Ansys的熱、結構和流體動力學工具集成,HFSS能為電子產品提供強大而完整的多物理場分析,可確保其熱和結構的可靠性。由于其自適應網格技術和復雜的求解器,HFSS在解決三維電磁挑戰方面達到黃金標準精度和可靠性,其模擬過程均可通過高性能計算(HPC)技術加速求解。

Ansys HFSS仿真套件由一套綜合解決方案組成,解決各種電磁問題,從無源IC組件到超大規模的電磁分析(如ADAS系統的汽車雷達場景)。

它可靠的自適應網格優化,讓您專注于設計,而不是花時間定義和創建適合的網格。這種自動化帶來的精度保證將HFSS與其他需要用戶手動控制和選擇多種求解方法的電磁仿真軟件區分開來,其他軟件需要用戶干預以確保生成的網格適用且準確。

Ansys HFSS,基于物理問題定義計算網格,而非基于計算網格定義物理問題。

Ansys HFSS是研發和虛擬原型設計的理想電磁場工具。利用Ansys HFSS可幫助用戶縮短設計周期,提高產品的可靠性和性能,從而擊敗競爭對手,占領市場。

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使用環境與設計流程


HFSS 軟件使用環境(MCAD,Layout)

HFSS軟件經過多個版本的更迭,不斷創新,整合集成使用環境,形成了單一電子桌面使用環境下,無縫集成了三維界面,層疊界面,以及原理圖界面三種不同的使用界面,相互之間保持設計的相對獨立而又相互協同,統一在協作式仿真設計環境AEDT中。


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不管是何種用戶界面, 工程師們都在使用參數化建模幫助設計,都可以使用相同的FEM場求解器,采用自適應網格技術及精確的求解技術,從而保持HFSS一貫的高效率和高精度特點,兼顧了來自不同設計環境背景的用戶使用習慣和效率需求。


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HFSS 軟件使用流程(建模- 求解- 后處理- 優化)

基于HFSS的工程設計大體分為四步:建模、仿真、后處理及掃頻與優化設計。

在建模階段,設計者既可以應用HFSS中三維建模器進行建模,也可以從其它MCAD或PCB layout工具中導入結構模型,或者利用Antenna Toolkit直接生成天線仿真模型。HFSS的三維實體建模器可方便地用于創建波導、天線、連接器、封裝等三維模型,并支持全參數化建模。

在仿真階段,HFSS獨有的自適應求解技術使仿真問題從初始網格剖分到自適應求解及掃頻都由軟件自動完成。這一自動化的仿真流程既降低了使用仿真工具的難度、同時也確保了仿真結果的一致性,大大減少了設計者的工作量,并且降低了對其設計經驗的要求。


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天線設計輔助工具ATK

Antenna Toolkit是一款基于ACT技術天線輔助設計工具,可提供強大的天線設計綜合能力,針對包括偶極子天線、貼片天線、角錐天線、平面螺旋天線、錐形螺旋天線、Vivaldi天線、對數周期天線、PIFA天線、波導天線、蝶形天線、雙錐天線、盤錐天線、反射面天線,陣列天線等在內的幾十種常用天線,在給定其工作頻率或頻帶范圍之后,快速地綜合出天線相應的物理尺寸參數,自動實現建模、端口/邊界條件定義、求解設置、生成后處理報告等各項功能。


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HFSS關鍵技術


基本原理與精度保證

HFSS可以求解任意三維空間的電磁場問題,首先根據求解問題的頻率和波長,把物理原型劃分成若干四面體初始網格,將其離散化,生成矩陣后求解得到電磁場分布和端口參數等結果,然后開始自適應網格加密對求解的問題進行迭代計算,當前后兩次迭代計算的誤差小于用戶預先定義的門限值即得到收斂的計算結果,然后對全頻帶進行寬頻帶掃頻計算,得到寬帶頻率響應。HFSS仿真過程中的初始網格生成和網格加密都是軟件自動完成,無需人為干預,確保仿真結果精確可靠,并且可重復。


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有限元(FEM) 求解算法

混合階基函數技術

混合階(Mixed Element Order)基函數技術減少了網格和未知量,進一步地提高了求解效率。


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曲線單元技術

對于復雜曲面結構,HFSS的曲線單元技術可以實現更好的網格剖分。


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自適應網格技術

HFSS自適應的網格技術使網格剖分的整個流程完全自動化,無需人為干預,軟件自動完成從物理網格剖分,電網格剖分,初始網格生成,到網格自動加密迭代計算的全過程,極大程度上保證了有限元求解的精度。


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寬帶網格技術(BAM)

寬帶網格技術(Broadband Adaptive Mesh)是HFSS用于求解超寬帶問題的方法,利用多個頻點并行以得到覆蓋全頻帶的自適應網格,為整個寬頻帶提供可靠和保證精度的網格,利用HPC使得多頻點計算可同時進行。


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革命性的網格融合技術(Mesh Fusion)

新版本推出的全新革命性技術網格融合,將HFSS的網格技術提升到一個全新的高度,基于三維部件技術,可實現跨尺度裝配方式的高效網格剖分,解決大型場景問題中的網格尺度問題。


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●超限單元法求解端口S參數

超限單元法是HFSS算法的核心技術之一,在這一方法中,待求解的場量,用端口處的模式為基函數展開,因此求解泛函中的場量就轉化為求解模式的展開系數,S參數在求解場量的同時也得到求解,不需要對場量進行后處理,因此更加準確。

正是因為這一特有技術,使得HFSS在端口S參數的求解方面精度明顯高于其它軟件,受益的應用領域包括各類天線、波導類器件及PCB/封裝為代表的信號完整性仿真等采用端口類激勵器件的仿真。


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●快速掃頻技術

HFSS的快速掃頻方法計算時間對于掃頻帶寬和掃頻點數不敏感,對于寬帶內具有多諧振點的微波問題,可以利用這一方法快速找到各個諧振頻率,并獲得其場分布。


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積分方程(IE) 求解算法(ACA 與MLFMM)

HFSS的積分方程算法基于麥克斯維方程的積分形式,可自動滿足輻射邊界條件,采用積分方程對求解對象進行全波求解,計算模型表面的電流,能夠求解導體和介質模型。對于簡單模型及材料的輻射問題,具有很大的優勢。HFSS的積分方程法求解器包含兩種算法:

●自適應交叉近似(ACA, Adaptive Cross Approximation)算法適合復雜結構求解。

●多層快速多極子算法(MLFMM)則適合求解松散的電大結構,該算法特別適合求解平臺上天線布局和雷達目標特性等問題。


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彈跳射線法求解器(SBR+)

HFSS的增強彈跳射線法求解器(SBR+)使用高頻射線算法,考慮了多次射線反射,邊緣一致性,繞射一致性以及表面爬行波等多方面影響,具有非常高效的速度,同時具有非常好的精度,在大型平臺的天線布局,以及場景級高頻應用中效果非常好。還可提供可視化射線追蹤模擬功能,幫助快速研究大型場景中的射線軌跡和傳播方式。


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兩種互補的時域求解算法

HFSS時域求解包括時域間斷伽略金算法(DGTD)和隱式有限元時域算法(FETD)。兩種方法均采用共形的非均勻四面體網格并通過自適應網格加密技術保證模型的保真度。

HFSS時域求解的典型應用包括探地雷達、超寬帶天線、瞬態RCS、雷擊、靜電放電、時域反射阻抗(TDR)等。


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微放電求解功能

微放電求解器(Multipaction Solver)分析真空環境下射頻微波器件中的二次電子倍增效應。微放電求解器直接導入HFSS計算得到的頻域電磁場,通過金屬及介質體表面定義的二次電子發射系數SEY,采用基于四面體網格的粒子模擬法(PIC)計算帶電粒子的微放電效應并預測微放電功率閾值。


本征模求解功能

本征模求解器(Eigenmode Solver)基于有限元方法精確求解封閉腔體的自諧振頻率和諧振Q值,結合理想匹配層(PML),可進一步得到腔體的有載Q值。在電真空器件設計中,本征模求解器結合周期性邊界條件,可精確仿真器件的色散特性,相速與頻率的關系以及電磁場分布。


特征模求解功能

特征模分析(Characteristic Mode Analysis)基于積分方程方法計算結構自身支持的一組正交電流模式,得到各個模式的特征值、特征角、模式權重系數以及激勵電流對應的模式電流加權系數?;诮Y構的特征模分析,有助于深入理解天線的輻射機理,優化天線設計以及布局位置,并通過結構固有的正交模式提高MIMO應用中多天線的隔離度。


混合算法技術

HFSS軟件提供了成熟的有限元算法FEM、積分方程法IE、光學算法SBR(含PO)等。充分利用各個算法的優勢,在同一個問題中,針對不同的部分選擇理想的算法求解,這就是混合算法技術。


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●區域分解法(DDM)

區域分解法,即Domain Decomposition Method,可以根據計算的網格規模自動進行分域求解;不同的算法類型分配不同的域,每種算法類型的域,可以根據網格規模,再次劃分為一系列的子域,具體的子域數量將根據可調用的CPU數量、網格數量等自動劃分。

區域分解法,是混合算法技術得以實現的根本源動力,也是有限大陣列仿真與3D Component陣列仿真中的關鍵技術。


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●有限大陣列仿真-Finite Array+DDM (FA-DDM)

有限大陣列仿真功能,充分利用了陣列天線的周期重復性特點,借用周期邊界的單元模型網格,快速生成周期陣列的全網格模型,然后以DDM域分解的并行計算,快速得到整個陣列的結果。


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三維部件陣列仿真-3D Component Array+DDM

三維部件陣列仿真,是一種充分利用了有限大陣列(Finite Array)仿真的流程,來實現非周期陣列的快速建模與仿真的方法。三維部件陣列同樣需要對每一個不同的三維部件獨立求解,直至收斂到結果一步。然后匯總所有單元的結果網格以DDM域分解技術,快速得到整個陣列的結果。三維部件陣列仿真與有限大陣列仿真的極不同,在于單元模型的個數、網格模型的獲取、非周期陣列是否可使用等幾個方面。在求解結果上,同樣考慮各種單元耦合效應與邊緣效應,獲取高效高精度的仿真結果。


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●FE-BI與Region邊界

FE-BI,全稱Finite Element Boundary Integral,譯為有限單元-邊界積分。FE-BI邊界用于設置空氣盒子,作為輻射邊界使用,與常用的Radiation邊界、PML邊界類似。FE-BI邊界、IE-Region/SBR-Region/PO-Region,都是混合算法的典型應用。FE-BI用于設置空氣盒子;Region邊界用于設置其他獨立的金屬體、材料等效的面、介質體等。模型里可以有多個FE-BI求解區域,也可以有多個Region求解區域,它們都需要DDM域分解法來進行求解。


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高性能計算技術

高性能計算(High Performance Computing)是工程仿真軟件的并行加速計算技術的總稱。包括傳統的多線程共享內存式、分布式矩陣求解,以及當前極高效的DDM域分解技術、GPU加速技術、譜區域分解技術、分布式參數掃描等。


●譜區域分解法

通過譜區域分解法SDM,可以將寬帶頻率掃描點,并行發布到一定數目的CPU上,進行多頻率點的并行計算。這種獨特的方法,顯著縮短了獲得高精度寬帶掃描結果的仿真時間。


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●分布式參數求解

分布式參數求解,指的是參數掃描的多發式并行計算??筛鶕浖苷{用的CPU資源,自動選擇多個預先定義的參數設計組合,分配到不同的CPU、計算機上進行并行的求解,以完成模型的幾何尺寸、材料、邊界和激勵等條件變化時的設計探索。


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周期結構仿真功能

HFSS中的Floquet端口專門用于求解周期性結構,如平面相控陣和頻率選擇性表面結構。Floquet端口的主要優勢為入射波掃描的求解設置簡單,速度比定義入射波激勵的方式有大幅提升,尤其在有寬帶掃頻的情況下,求解速度提升10倍以上。


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動態鏈接功能實現先進的協同設計流程

HFSS的不同設計和項目之間可進行場到場動態鏈接。這樣就能夠把一個復雜的系統拆分成部件進行仿真,典型的應用如反射面天線、天線與天線罩仿真、復雜系統的EMI/EMC等。



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強大的后處理功能

HFSS能夠快速精確地求解并觀察設計者所需的各種結果,包括矩陣參數、電磁場分布、遠場和近場輻射特性、EMI/EMC等。無需預先設置或重新求解,通過改變端口輸入信號的功率和相位,方便地得到結構內部的場強、多端口天線的輻射特性變化等各種結果,強大的場計算器功能,可以進一步地獲得所需的各種結果,如局部電壓、電流、導體損耗、介質損耗等。


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●端口參數后處理

●?二維本征模求解器計算端口模式和阻抗

●S-, Y-, Z-參數(單端、差分、去內嵌和重新歸一化)

●場后處理

●?遠/近場輻射特性(二維、三維作圖,增益、波瓣寬度等)

●?求解空間內任意表面或空間內的電磁場分布的三維靜態及動畫作圖,包括矢量、幅值及流線作圖

●?有載本征諧振頻率及諧振模式場分布

●?手機或生物醫療常用的SAR計算包括矢量、幅值及流線作圖;

●?單/雙站RCS

●?輻射測試(三米法、十米法)



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●場計算器后處理

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后處理增強功能(ACT)

●Radar Pre/Post


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全面的深入優化技術


●伴隨求導技術

伴隨求導技術通過計算S參數以及遠場數據對結構、材料和邊界條件改變的偏導數,直觀為設計者揭示設計敏感度和加工誤差對器件性能的影響。伴隨求導技術提供參數實時調諧功能,實現對設計的S參數以及方向圖的快速優化。



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●自動優化技術

HFSS優化功能是一個智能化的參數掃描和優化設計引擎,包含十多種先進的優化算法。設計者通過簡單易用的界面完成參數化掃描、優化、敏感度分析及統計分析。


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●DX優化技術

HFSS集成了Ansys DesignXplorer軟件的實驗設計(DoE)和響應面(Response Surface)分析技術,設計者可直接在HFSS中進行設計空間探索以及構建響應面優化,也可將數據傳遞到DesignXplorer中完成多學科協同設計和優化。

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●optiSLang優化技術

optiSLang是Ansys全新的仿真流程管理和多學科優化工具,optiSLang具有先進的***預測元模型(MoP)技術以及參數敏感度分析技術。HFSS的電磁場設計通過optiSLang的參數篩選以及智能優化技術可以實現產品更高效的優化和魯棒性設計。


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一體化的電熱耦合設計環境

從19版本開始,Ansys電子桌面中集成了IcePak求解器,形成了新一代的一體化電熱耦合設計環境AEDT-Icepak,更注重電和熱的耦合,更適合電工程師的操作習慣,在電的設計階段就可以考慮一部分熱設計的問題,縮短總體研發流程。


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跨學科的多物理場耦合仿真能力

HFSS軟件可與Ansys的其他物理場仿真軟件,通過統一的Workbench環境,形成完整的多物理場耦合仿真能力平臺。利用HFSS仿真電磁場,無損鏈接至Ansys Mechanical或Fluent/CFX/Icepack中進行熱/應力仿真,將熱負載以及任何外部負載導入結構求解器來計算形變??蓪崿F完全的雙向耦合,通過HFSS求解基于熱仿真結果的具有溫變特性的電氣性能,將結構分析的形變網格結果返回HFSS做進一步分析,基于仿真流程進行迭代,直到達到穩態特性。此外,可利用DesignXplorer,optiSLang等工具實現跨學科的設計空間探索功能,大幅提升仿真流程的順暢度和效率,提升產品設計的潛力挖掘能力。


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