ANSYS?HFSS?高频电磁场仿真

概述

ANSYS HFSS作为任意三维结构全波电磁场仿真的标准和核签工具,HFSS是现代电子设备中设计高频/高速电子组件的首选工具。HFSS能够在用户最少干预的情况下,对直接关系到电子器件性能的电磁场状态进行快速精确的仿真。针对一个部件或子系统、系统以及终端产品在电磁场中的性能及其相互影响,HFSS可分析整个电磁场问题,包括反射损耗,衰减,辐射和耦合等。

HFSS的强大功能基于有限元算法与积分方程理论,以及稳定的自适应网格剖分技术。该网格剖分技术可保证其网格能与3D物体共形并适合任意电磁场问题分析。HFSS中,物体结构决定网格,而不是网格决定物体结构。

受益于多种尖端的求解技术,HFSS能根据用户的不同需求来选择合适的求解技术。每个求解器都具有其强大的功能,HFSS可自动根据用户指定的几何模型,材料属性以及求解频段来生成适合,有效和准确的网格进行求解,以保证求解的精度。求解较为苛刻的高频仿真问题时,所有的HFSS求解器可配置高性能计算(HPC)技术,如区域分解法和分布式求解,高性能计算可减少计算时间,有效利用计算机资源来加速求解电大尺寸问题。 

HFSS是行业标准的电磁仿真工具,特别针对射频、微波以及信号完整性设计领域,是分析任何基于电磁场、电流或电压工作的物理结构的绝佳工具。


与ANSYS Workbench集合

HFSS的高性能及高准确性也可通过ANSYS Workbench平台调用,该工具通过一个以用户为中心的界面直接与企业级结构CAD工具链接,从而实现多物理场仿真。采用此功能,用户可分析将HFSS仿真结果作为输入条件的热及流体分析问题。另外,用户可以对HFSS建立的模型实现企业级共享。结构,热和流体工程师可以使用HFSS的结果以完成各自需要的仿真。

特色功能

高频求解工具箱

ANSYS HFSS是行业标准的电磁仿真工具,特别针对射频、微波以及信号完整性设计领域,是分析任何基于电磁场、电流或电压工作的物理结构的绝佳工具。

作为基于频域有限元技术的三维全波电磁场求解器,HFSS可提取散射参数,显示三维电磁场图,生成远场辐射方向图,以及提供ANSYS的全波SPICE模型,该模型可用在ANSYS Designer和其他信号完整性分析工具中。

射频与微波

长久以来,HFSS一直被射频和微波工程师用来设计通信系统,雷达系统,卫星,智能手机和平板设备中的高频组件。该技术实现了很高的仿真精度,解决了多方面的射频和微波工程中的挑战性问题,而这些都大大受益于自动网格剖分功能。最终的结果是实现了理想的求解精度和求解时间。

信号完整性

使用HFSS,工程师可以轻松地设计并评估连接器,传输线及印刷电路板(PCB)上的过孔,计算服务器及存储设备中使用的高速元件,多媒体电脑,娱乐系统和电信系统中的信号完整性和电磁干扰性能。千秋各地工程师团队几乎都在利用ANSYS的工具给他们的设计带来竞争优势。


先进的医疗设备用到电磁场,如磁共振成像(MRI),植入物及热疗等。在MRI应用中,HFSS可用来仿真人体的比吸率(SAR)


HFSS射频和微波应用:7X7 WR90波导阵列,扫面叫为theta角从-45到+45度

按需求解(SoD)技术

如果用户不熟悉在HFSS中的三维建模,创建一个完整且可求解的三维模型将非常复杂而又费时:该过程包括设置源位置或激励方式,定义求解空间及边界,以及求解频率扫描范围等。

按需求解技术使用户直接从直观的,层叠式ANSYS Designer界面使用HFSS求解器。这个接口可方便工程师在一个更熟悉的二维布线建模环境下实现三维HFSS的仿真精度和可靠性。比如,用户也可以从他熟悉的工具Cadence ECAD环境启用按需求解功能。

HFSS的按需求解对电磁模型的ECAD导入,画图和参数化等功能进行了优化。它支持传统的ECAD原型,如过孔焊盘,走线,引线结合和焊球。由于模型被修改后只需优化模型某一特定部分,如过渡组件,连接器或无源器件在印刷电路板上的芯片或封装过程,按需求解技术将具有显著优势。


按需求解(SoD)技术科调用具备强大功能的HFSS三维有限元求解器,同时使得模型创建简单和快速


路板上的芯片或封装过程,按需求解技术具有显著优势

先进的求解选项

在成熟的有限元方法基础上,HFSS还提供了多种先进的求解技术。通过混合求解技术实现更高效率的电磁场计算并保持精度,在大多数情况下,可在链接工程中通过混合求解技术收益。

积分方程(IE)和有限单元边界积分法(FE-BI)

积分方程(IE)求解器是求解大型导体结构的辐射、散射问题的有效补充工具,它采用矩量法(MoM)和多层快速多极子(MLFMM)求解得到导体和介质表面的电流分布。积分方程方法同样采用与HFSS一致的界面,可与HFSS共享几何,材料以及某些关键求解技术,如自动产生优化网格的自适应迭代技术。IE求解器采用自适应交叉近似(ACA)方法结合迭代矩阵求解器减少内存需求,使得用户可将其应用于大规模问题分析。


采用HFSS混合FE-BI求解的带罩天线

瞬态求解(Transient)

HFSS transient是一个基于间断伽辽金时域算法(DGTD)和隐式有限元时域法(FETD)的三维全波瞬态/时域电磁场求解器。可用任何常规时域脉冲或余弦定义的脉冲信号激励,该模块可以很容易完成时域有关仿真分析,如时域反射阻抗(TDR)计算等。另外,可以求解短周期脉冲激励问题,如探地雷达,经典放电,电磁干扰及闪电等问题。该四面体有限元技术同样基于HFSS所采用的自动网格剖分技术,该瞬态分析工具是HFSS这个传统频域分析工具的一个理想的补充。


采用HFSS共形有限元瞬态求解的查分信号通过弯曲电缆的时域传输分析


物理光学(PO)

物理光学求解功能非常适合分析超电大结构。PO可用来设计大型反射面天线,卫星或其它天线载体平台,如商用或军用飞机。该算法求解非常快速,且占用计算资源极少,从而可快速洞察与大型电磁结构有关的设计因素。 

采用HFSS中物理光学求解得到的国际空间站上天线的远场方向图


HPC求解大规模电磁仿真问题

区域分解法

区域分解方法(DDM)利用网络计算机资源来仿真大规模问题。HFSS根据网格尺寸与可用的处理器/机器数目确定子域数据;DDM自动将有限元网格分解成一系列子域问题。每一个子域模型独立求解,子域直接通过交互迭代完成整个过程的求解。这种网络内存访问的过程扩展后可完成单个机器资源无法计算的大规模求解。此外,DDM可减少求解时间,降低总的内存需求,在很多案例中通过额外的处理器可实现超线性的加速比。


区域分解法促进创新,使原本以为无法解决的问题得到有效解决

该模型综合采用了混合算法和域分解技术,与上一版本相比,内存小号仅为1/9,运算速度却提升了8.5倍

谱区域分解法

通过谱区域分解法(SDM),可以将宽带频率扫描频点分布到一定数目的处理器或者机器上。这种节约时间的方法自动将频点分布到各个独立的机器上去计算,完成后重新收集得到整个频率的数据。这种独特的方法显著缩短了获得高精度宽带散射参数所需要的仿真时间。

分布式计算

分布式计算选项(DSO)可分配参数扫描,以完成几何形状,材料,边界和激励等条件变化的设计探索。该选项模块可将多个预先定义的参数设计组合分配在不同的计算机上,完成每个设计实例的分析。DSO显著加快给定设计任务的参数扫描和设计优化,提供了高水平的分布式仿真的计算性能及并行化。


ANSYS的分布式求解能力允许用户将参数扫描或者频率扫描任务分配到一定数量的计算机上,加快总的模拟速度。与分布频率扫描一样,工程师们可以仿真模拟不同几何形状、材料、边界和激励的情况。这可以让团队更轻松地优化设计,完成统计分析和敏感度分析。

8个任务并行仿真,耗时仅为单任务运行的1/7

多处理器选项

多处理器(MP)技术采用单个共享内存机器上多个核心并行完成HFSS有限元或积分方程求解的功能。MP可用来加速求解过程的某些部分——如矩阵分解,剖分网格和场恢复——从而使得总的求解时间更短。

有限大阵列仿真(fDDM)

有限大阵列仿真功能利用区域分解法以及阵列的重复性,高效且全面的分析得到有限大阵列的特性。利用这个功能,可以考虑所有单元之间的相互耦合作用,以及阵列的边缘效应。有限大阵列仿真方法需要极少的计算资源,所以可在很短的时间内完成有限大阵列仿真。


采用有限阵列区域分解算法模拟的256单元双极化Vivaldi天线阵列,以及叠加在几何之上的多扫描角的远场方向图

HFSS采用多处理器,分布式计算及HPC技术利用了现代计算硬件的优势。



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