Ansys HFSS：用于射頻和無(wú)線設(shè)計(jì)的三維電磁場(chǎng)仿真工具
Ansys HFSS是一款用于設(shè)計(jì)和模擬高頻電子產(chǎn)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(chǎng)仿真軟件。世界各地的工程師使用Ansys HFSS設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、衛(wèi)星、物聯(lián)網(wǎng)(IOT)產(chǎn)品和其他高速射頻產(chǎn)品中的高速高頻設(shè)備。
HFSS采用多個(gè)求解器和直觀的圖形用戶界面，為您提供無(wú)與倫比的性能，幫助您深入洞察所有三維電磁問(wèn)題。通過(guò)與Ansys的熱、結(jié)構(gòu)和流體動(dòng)力學(xué)工具集成，HFSS能為電子產(chǎn)品提供強(qiáng)大而完整的多物理場(chǎng)分析，可確保其熱和結(jié)構(gòu)的可靠性。由于其自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)和復(fù)雜的求解器，HFSS在解決三維電磁挑戰(zhàn)方面達(dá)到黃金標(biāo)準(zhǔn)精度和可靠性，其模擬過(guò)程均可通過(guò)高性能計(jì)算(HPC)技術(shù)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(wèn)題，從無(wú)源IC組件到超大規(guī)模的電磁分析（如ADAS系統(tǒng)的汽車?yán)走_(dá)場(chǎng)景）。
它可靠的自適應(yīng)網(wǎng)格優(yōu)化，讓您專注于設(shè)計(jì)，而不是花時(shí)間定義和創(chuàng)建適合的網(wǎng)格。這種自動(dòng)化帶來(lái)的精度保證將HFSS與其他需要用戶手動(dòng)控制和選擇多種求解方法的電磁仿真軟件區(qū)分開(kāi)來(lái)，其他軟件需要用戶干預(yù)以確保生成的網(wǎng)格適用且準(zhǔn)確。
Ansys HFSS，基于物理問(wèn)題定義計(jì)算網(wǎng)格，而非基于計(jì)算網(wǎng)格定義物理問(wèn)題。
Ansys HFSS是研發(fā)和虛擬原型設(shè)計(jì)的理想電磁場(chǎng)工具。利用Ansys HFSS可幫助用戶縮短設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品的可靠性和性能，從而擊敗競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，占領(lǐng)市場(chǎng)。
HFSS 軟件使用環(huán)境(MCAD，Layout)
HFSS軟件經(jīng)過(guò)多個(gè)版本的更迭，不斷創(chuàng)新，整合集成使用環(huán)境，形成了單一電子桌面使用環(huán)境下，無(wú)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(shè)計(jì)的相對(duì)獨(dú)立而又相互協(xié)同，統(tǒng)一在協(xié)作式仿真設(shè)計(jì)環(huán)境AEDT中。
不管是何種用戶界面, 工程師們都在使用參數(shù)化建模幫助設(shè)計(jì)，都可以使用相同的FEM場(chǎng)求解器，采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及精確的求解技術(shù)，從而保持HFSS一貫的高效率和高精度特點(diǎn)，兼顧了來(lái)自不同設(shè)計(jì)環(huán)境背景的用戶使用習(xí)慣和效率需求。
HFSS 軟件使用流程（建模- 求解- 后處理- 優(yōu)化）
基于HFSS的工程設(shè)計(jì)大體分為四步：建模、仿真、后處理及掃頻與優(yōu)化設(shè)計(jì)。
在建模階段，設(shè)計(jì)者既可以應(yīng)用HFSS中三維建模器進(jìn)行建模，也可以從其它MCAD或PCB layout工具中導(dǎo)入結(jié)構(gòu)模型，或者利用Antenna Toolkit直接生成天線仿真模型。HFSS的三維實(shí)體建模器可方便地用于創(chuàng)建波導(dǎo)、天線、連接器、封裝等三維模型，并支持全參數(shù)化建模。
在仿真階段，HFSS獨(dú)有的自適應(yīng)求解技術(shù)使仿真問(wèn)題從初始網(wǎng)格剖分到自適應(yīng)求解及掃頻都由軟件自動(dòng)完成。這一自動(dòng)化的仿真流程既降低了使用仿真工具的難度、同時(shí)也確保了仿真結(jié)果的一致性，大大減少了設(shè)計(jì)者的工作量，并且降低了對(duì)其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的要求。
天線設(shè)計(jì)輔助工具ATK
Antenna Toolkit是一款基于ACT技術(shù)天線輔助設(shè)計(jì)工具，可提供強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)綜合能力，針對(duì)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(duì)數(shù)周期天線、PIFA天線、波導(dǎo)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(nèi)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(yīng)的物理尺寸參數(shù)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)建模、端口/邊界條件定義、求解設(shè)置、生成后處理報(bào)告等各項(xiàng)功能。
基本原理與精度保證
HFSS可以求解任意三維空間的電磁場(chǎng)問(wèn)題，首先根據(jù)求解問(wèn)題的頻率和波長(zhǎng)，把物理原型劃分成若干四面體初始網(wǎng)格，將其離散化，生成矩陣后求解得到電磁場(chǎng)分布和端口參數(shù)等結(jié)果，然后開(kāi)始自適應(yīng)網(wǎng)格加密對(duì)求解的問(wèn)題進(jìn)行迭代計(jì)算，當(dāng)前后兩次迭代計(jì)算的誤差小于用戶預(yù)先定義的門限值即得到收斂的計(jì)算結(jié)果，然后對(duì)全頻帶進(jìn)行寬頻帶掃頻計(jì)算，得到寬帶頻率響應(yīng)。HFSS仿真過(guò)程中的初始網(wǎng)格生成和網(wǎng)格加密都是軟件自動(dòng)完成，無(wú)需人為干預(yù)，確保仿真結(jié)果精確可靠，并且可重復(fù)。
有限元(FEM) 求解算法
●混合階基函數(shù)技術(shù)
混合階(Mixed Element Order)基函數(shù)技術(shù)減少了網(wǎng)格和未知量，進(jìn)一步地提高了求解效率。
●曲線單元技術(shù)
對(duì)于復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)，HFSS的曲線單元技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)格剖分。
●自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)
HFSS自適應(yīng)的網(wǎng)格技術(shù)使網(wǎng)格剖分的整個(gè)流程完全自動(dòng)化，無(wú)需人為干預(yù)，軟件自動(dòng)完成從物理網(wǎng)格剖分，電網(wǎng)格剖分，初始網(wǎng)格生成，到網(wǎng)格自動(dòng)加密迭代計(jì)算的全過(guò)程，極大程度上保證了有限元求解的精度。
●寬帶網(wǎng)格技術(shù)(BAM)
寬帶網(wǎng)格技術(shù)(Broadband Adaptive Mesh)是HFSS用于求解超寬帶問(wèn)題的方法，利用多個(gè)頻點(diǎn)并行以得到覆蓋全頻帶的自適應(yīng)網(wǎng)格，為整個(gè)寬頻帶提供可靠和保證精度的網(wǎng)格，利用HPC使得多頻點(diǎn)計(jì)算可同時(shí)進(jìn)行。
●革命性的網(wǎng)格融合技術(shù)(Mesh Fusion)
新版本推出的全新革命性技術(shù)網(wǎng)格融合，將HFSS的網(wǎng)格技術(shù)提升到一個(gè)全新的高度，基于三維部件技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)跨尺度裝配方式的高效網(wǎng)格剖分，解決大型場(chǎng)景問(wèn)題中的網(wǎng)格尺度問(wèn)題。
●超限單元法求解端口S參數(shù)
超限單元法是HFSS算法的核心技術(shù)之一，在這一方法中，待求解的場(chǎng)量，用端口處的模式為基函數(shù)展開(kāi)，因此求解泛函中的場(chǎng)量就轉(zhuǎn)化為求解模式的展開(kāi)系數(shù)，S參數(shù)在求解場(chǎng)量的同時(shí)也得到求解，不需要對(duì)場(chǎng)量進(jìn)行后處理，因此更加準(zhǔn)確。
正是因?yàn)檫@一特有技術(shù)，使得HFSS在端口S參數(shù)的求解方面精度明顯高于其它軟件，受益的應(yīng)用領(lǐng)域包括各類天線、波導(dǎo)類器件及PCB/封裝為代表的信號(hào)完整性仿真等采用端口類激勵(lì)器件的仿真。
●快速掃頻技術(shù)
HFSS的快速掃頻方法計(jì)算時(shí)間對(duì)于掃頻帶寬和掃頻點(diǎn)數(shù)不敏感，對(duì)于寬帶內(nèi)具有多諧振點(diǎn)的微波問(wèn)題，可以利用這一方法快速找到各個(gè)諧振頻率，并獲得其場(chǎng)分布。
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(dòng)滿足輻射邊界條件，采用積分方程對(duì)求解對(duì)象進(jìn)行全波求解，計(jì)算模型表面的電流，能夠求解導(dǎo)體和介質(zhì)模型。對(duì)于簡(jiǎn)單模型及材料的輻射問(wèn)題，具有很大的優(yōu)勢(shì)。HFSS的積分方程法求解器包含兩種算法：
●自適應(yīng)交叉近似(ACA, Adaptive Cross Approximation)算法適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)求解。
●多層快速多極子算法(MLFMM)則適合求解松散的電大結(jié)構(gòu)，該算法特別適合求解平臺(tái)上天線布局和雷達(dá)目標(biāo)特性等問(wèn)題。
彈跳射線法求解器(SBR+)
HFSS的增強(qiáng)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(shí)具有非常好的精度，在大型平臺(tái)的天線布局，以及場(chǎng)景級(jí)高頻應(yīng)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(chǎng)景中的射線軌跡和傳播方式。
兩種互補(bǔ)的時(shí)域求解算法
HFSS時(shí)域求解包括時(shí)域間斷伽略金算法(DGTD)和隱式有限元時(shí)域算法(FETD)。兩種方法均采用共形的非均勻四面體網(wǎng)格并通過(guò)自適應(yīng)網(wǎng)格加密技術(shù)保證模型的保真度。
HFSS時(shí)域求解的典型應(yīng)用包括探地雷達(dá)、超寬帶天線、瞬態(tài)RCS、雷擊、靜電放電、時(shí)域反射阻抗(TDR)等。
微放電求解功能
微放電求解器(Multipaction Solver)分析真空環(huán)境下射頻微波器件中的二次電子倍增效應(yīng)。微放電求解器直接導(dǎo)入HFSS計(jì)算得到的頻域電磁場(chǎng)，通過(guò)金屬及介質(zhì)體表面定義的二次電子發(fā)射系數(shù)SEY，采用基于四面體網(wǎng)格的粒子模擬法(PIC)計(jì)算帶電粒子的微放電效應(yīng)并預(yù)測(cè)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(jié)合理想匹配層(PML)，可進(jìn)一步得到腔體的有載Q值。在電真空器件設(shè)計(jì)中，本征模求解器結(jié)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(guān)系以及電磁場(chǎng)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(jì)算結(jié)構(gòu)自身支持的一組正交電流模式，得到各個(gè)模式的特征值、特征角、模式權(quán)重系數(shù)以及激勵(lì)電流對(duì)應(yīng)的模式電流加權(quán)系數(shù)?；诮Y(jié)構(gòu)的特征模分析，有助于深入理解天線的輻射機(jī)理，優(yōu)化天線設(shè)計(jì)以及布局位置，并通過(guò)結(jié)構(gòu)固有的正交模式提高M(jìn)IMO應(yīng)用中多天線的隔離度。
混合算法技術(shù)
HFSS軟件提供了成熟的有限元算法FEM、積分方程法IE、光學(xué)算法SBR（含PO）等。充分利用各個(gè)算法的優(yōu)勢(shì)，在同一個(gè)問(wèn)題中，針對(duì)不同的部分選擇理想的算法求解，這就是混合算法技術(shù)。
●區(qū)域分解法(DDM)
區(qū)域分解法，即Domain Decomposition Method，可以根據(jù)計(jì)算的網(wǎng)格規(guī)模自動(dòng)進(jìn)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(jù)網(wǎng)格規(guī)模，再次劃分為一系列的子域，具體的子域數(shù)量將根據(jù)可調(diào)用的CPU數(shù)量、網(wǎng)格數(shù)量等自動(dòng)劃分。
區(qū)域分解法，是混合算法技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的根本源動(dòng)力，也是有限大陣列仿真與3D Component陣列仿真中的關(guān)鍵技術(shù)。
●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(fù)性特點(diǎn)，借用周期邊界的單元模型網(wǎng)格，快速生成周期陣列的全網(wǎng)格模型，然后以DDM域分解的并行計(jì)算，快速得到整個(gè)陣列的結(jié)果。
●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(lái)實(shí)現(xiàn)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(duì)每一個(gè)不同的三維部件獨(dú)立求解，直至收斂到結(jié)果一步。然后匯總所有單元的結(jié)果網(wǎng)格以DDM域分解技術(shù)，快速得到整個(gè)陣列的結(jié)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(gè)數(shù)、網(wǎng)格模型的獲取、非周期陣列是否可使用等幾個(gè)方面。在求解結(jié)果上，同樣考慮各種單元耦合效應(yīng)與邊緣效應(yīng)，獲取高效高精度的仿真結(jié)果。
●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(shè)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(yīng)用。FE-BI用于設(shè)置空氣盒子；Region邊界用于設(shè)置其他獨(dú)立的金屬體、材料等效的面、介質(zhì)體等。模型里可以有多個(gè)FE-BI求解區(qū)域，也可以有多個(gè)Region求解區(qū)域，它們都需要DDM域分解法來(lái)進(jìn)行求解。
高性能計(jì)算技術(shù)
高性能計(jì)算(High Performance Computing)是工程仿真軟件的并行加速計(jì)算技術(shù)的總稱。包括傳統(tǒng)的多線程共享內(nèi)存式、分布式矩陣求解，以及當(dāng)前極高效的DDM域分解技術(shù)、圖形處理器加速技術(shù)、譜區(qū)域分解技術(shù)、分布式參數(shù)掃描等。
●譜區(qū)域分解法
通過(guò)譜區(qū)域分解法SDM，可以將寬帶頻率掃描點(diǎn)，并行發(fā)布到一定數(shù)目的CPU上，進(jìn)行多頻率點(diǎn)的并行計(jì)算。這種獨(dú)特的方法，顯著縮短了獲得高精度寬帶掃描結(jié)果的仿真時(shí)間。
●分布式參數(shù)求解
分布式參數(shù)求解，指的是參數(shù)掃描的多發(fā)式并行計(jì)算。可根據(jù)軟件能調(diào)用的CPU資源，自動(dòng)選擇多個(gè)預(yù)先定義的參數(shù)設(shè)計(jì)組合，分配到不同的CPU、計(jì)算機(jī)上進(jìn)行并行的求解，以完成模型的幾何尺寸、材料、邊界和激勵(lì)等條件變化時(shí)的設(shè)計(jì)探索。
周期結(jié)構(gòu)仿真功能
HFSS中的Floquet端口專門用于求解周期性結(jié)構(gòu)，如平面相控陣和頻率選擇性表面結(jié)構(gòu)。Floquet端口的主要優(yōu)勢(shì)為入射波掃描的求解設(shè)置簡(jiǎn)單，速度比定義入射波激勵(lì)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。
動(dòng)態(tài)鏈接功能實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的協(xié)同設(shè)計(jì)流程
HFSS的不同設(shè)計(jì)和項(xiàng)目之間可進(jìn)行場(chǎng)到場(chǎng)動(dòng)態(tài)鏈接。這樣就能夠把一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)拆分成部件進(jìn)行仿真，典型的應(yīng)用如反射面天線、天線與天線罩仿真、復(fù)雜系統(tǒng)的EMI/EMC等。
強(qiáng)大的后處理功能
HFSS能夠快速精確地求解并觀察設(shè)計(jì)者所需的各種結(jié)果，包括矩陣參數(shù)、電磁場(chǎng)分布、遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)輻射特性、EMI/EMC等。無(wú)需預(yù)先設(shè)置或重新求解，通過(guò)改變端口輸入信號(hào)的功率和相位，方便地得到結(jié)構(gòu)內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)、多端口天線的輻射特性變化等各種結(jié)果，強(qiáng)大的場(chǎng)計(jì)算器功能，可以進(jìn)一步地獲得所需的各種結(jié)果，如局部電壓、電流、導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗等。
●端口參數(shù)后處理
●?二維本征模求解器計(jì)算端口模式和阻抗
●S-, Y-, Z-參數(shù)（單端、差分、去內(nèi)嵌和重新歸一化）
●場(chǎng)后處理
●?遠(yuǎn)/近場(chǎng)輻射特性（二維、三維作圖，增益、波瓣寬度等）
●?求解空間內(nèi)任意表面或空間內(nèi)的電磁場(chǎng)分布的三維靜態(tài)及動(dòng)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(chǎng)分布
●?手機(jī)或生物醫(yī)療常用的SAR計(jì)算包括矢量、幅值及流線作圖；
●?單/雙站RCS
●?輻射測(cè)試（三米法、十米法）
●場(chǎng)計(jì)算器后處理
●后處理增強(qiáng)功能(ACT)
●Radar Pre/Post
●伴隨求導(dǎo)技術(shù)
伴隨求導(dǎo)技術(shù)通過(guò)計(jì)算S參數(shù)以及遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)、材料和邊界條件改變的偏導(dǎo)數(shù)，直觀為設(shè)計(jì)者揭示設(shè)計(jì)敏感度和加工誤差對(duì)器件性能的影響。伴隨求導(dǎo)技術(shù)提供參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)諧功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)的S參數(shù)以及方向圖的快速優(yōu)化。
●自動(dòng)優(yōu)化技術(shù)
HFSS優(yōu)化功能是一個(gè)智能化的參數(shù)掃描和優(yōu)化設(shè)計(jì)引擎，包含十多種先進(jìn)的優(yōu)化算法。設(shè)計(jì)者通過(guò)簡(jiǎn)單易用的界面完成參數(shù)化掃描、優(yōu)化、敏感度分析及統(tǒng)計(jì)分析。
●DX優(yōu)化技術(shù)
HFSS集成了Ansys DesignXplorer軟件的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DoE)和響應(yīng)面(Response Surface)分析技術(shù)，設(shè)計(jì)者可直接在HFSS中進(jìn)行設(shè)計(jì)空間探索以及構(gòu)建響應(yīng)面優(yōu)化，也可將數(shù)據(jù)傳遞到DesignXplorer中完成多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
●optiSLang優(yōu)化技術(shù)
optiSLang是Ansys全新的仿真流程管理和多學(xué)科優(yōu)化工具，optiSLang具有先進(jìn)的***預(yù)測(cè)元模型(MoP)技術(shù)以及參數(shù)敏感度分析技術(shù)。HFSS的電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)通過(guò)optiSLang的參數(shù)篩選以及智能優(yōu)化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品更高效的優(yōu)化和魯棒性設(shè)計(jì)。
一體化的電熱耦合設(shè)計(jì)環(huán)境
從19版本開(kāi)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(shè)計(jì)環(huán)境AEDT-Icepak，更注重電和熱的耦合,更適合電工程師的操作習(xí)慣，在電的設(shè)計(jì)階段就可以考慮一部分熱設(shè)計(jì)的問(wèn)題，縮短總體研發(fā)流程。
跨學(xué)科的多物理場(chǎng)耦合仿真能力
HFSS軟件可與Ansys的其他物理場(chǎng)仿真軟件，通過(guò)統(tǒng)一的Workbench環(huán)境，形成完整的多物理場(chǎng)耦合仿真能力平臺(tái)。利用HFSS仿真電磁場(chǎng)，無(wú)損鏈接至Ansys Mechanical或Fluent/CFX/Icepack中進(jìn)行熱/應(yīng)力仿真，將熱負(fù)載以及任何外部負(fù)載導(dǎo)入結(jié)構(gòu)求解器來(lái)計(jì)算形變?？蓪?shí)現(xiàn)完全的雙向耦合，通過(guò)HFSS求解基于熱仿真結(jié)果的具有溫變特性的電氣性能，將結(jié)構(gòu)分析的形變網(wǎng)格結(jié)果返回HFSS做進(jìn)一步分析，基于仿真流程進(jìn)行迭代，直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)特性。此外，可利用DesignXplorer，optiSLang等工具實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科的設(shè)計(jì)空間探索功能，大幅提升仿真流程的順暢度和效率，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)的潛力挖掘能力。
