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ANSYS HFSS

ANSYS HFSS软件是高频电磁场仿真软件的行业标准。其黄金标准的精度、先进的求解器和高性能计算技术使其成为负责在高频和高速电子设备和平台上执行准确、快速设计的工程师们的必备工具。HFSS 提供基于有限元、积分方程、渐进和高级混合算法的最先进的求解技术,旨在计算各种各样的微波、RF(射频)和高速数字化等问题。

HFSS为部件提供三维全波精度的仿真技术,从而实现 RF 和高速设计。通过高级电磁场求解器和强大的谐波平衡和瞬态电路求解器之间的动态链接,HFSS 打破了重复设计迭代和冗长物理原型制作的循环。借助 HFSS,工程团队在包括天线、相控阵、无源 RF / 微波组件、高速互连、连接器、IC 封装和 PCB 等广泛应用中持续地实现一流设计。

HFSS 通过其具有突破性的,行业领先的自适应网格生成技术,提供设计签核准确性。其强大的网格生成和求解器技术让您明白 HFSS 提供的结果值得信赖,因而能够放心地开展设计。其他工具只是给出答案,没有关于解的准确性的任何反馈,从而引起不确定性。当与 ANSYS HPC 技术(如域分解或分布式频域求解)结合使用时,HFSS 能够以前所未有的速度和规模进行仿真,进而让您能够更全面地探索和优化设备的性能。使用 HFSS,您就会确定自己的设计将会兑现产品承诺。

高频电磁求解器

ANSYS HFSS 采用了高精度有限元方法 (FEM)、大规模矩量法 (MoM)技术 和超大规模弹跳射线 (SBR) 渐

进法、先进的绕射和爬波物理学方法,可有效实现更高的精确度 (SBR+)。ANSYS HFSS 仿真套件包含以下求解器,可解决涉及小型到大型电气结构的各种电磁问题:

HFSS                                     HFSS SBR+

  • 频域                                弹跳射线

  • 时域                                物理光学

  • 积分方程                         物理绕射理论

  • 混合技术                         一致性绕射理论

                                             爬波

ANSYS HFSS

一个 HFSS 包当中包含多个仿真引擎,每个引擎针对一种特定应用或仿真输出。

HFSS 混合技术

FEM-IE 混合技术建立在 HFSS FEM、IE MoM 和 ANSYS 域分解方法 (DDM) 专利技术的基础上,解算复杂的大型电气系统。应用恰当的求解器技术后,具有大量几何细节和复杂材料的局部区域会运用有限元 HFSS 来求解,而大型对象或已安装平台的区域则可以使用三维 MoM HFSS-IE 来求解。该解决方案通过单个可扩展的全耦合系统矩阵在单个设置中提供。

 

有限元方法(频域)

这就是高性能三维全波频域电磁求解器,基于经过验证的有限元方法。工程师能够计算 SYZ 参数和谐振频率、可视化电磁场,并生成组件模型,以便评估信号质量、传输路径损耗、阻抗失配、寄生耦合和远场辐射。典型的应用包括天线/移动通信、集成电路、高速数字和 RF 互连、波导、连接器、过滤器、EMI/EMC 等。

 

有限元瞬态(时域)

有限元时域求解器用于模拟瞬态电磁场行为,可对诸如时域反射技术 (TDR)、雷击、脉冲探地雷达 (GPR)、静电放电 (ESD) 和电磁干扰 (EMI) 等典型应用中的场或系统响应进行可视化。其利用与频域求解器相同的有限元网格划分方法,无需切换网格划分技术来切换仿真域。瞬态求解器对频域 HFSS 求解器进行补充,使工程师可在同一个网格上同时了解时域和频域的电磁特点。

 

积分方程

积分方程 (IE) 求解器采用三维矩量法 (MoM)技术,可有效解决开放辐射和散射问题。其非常适用于诸如天线设计和/或天线放置等辐射研究,以及雷达散射截面 (RCS) 等散射研究。求解器可以使用多层快速多极子算法 (MLFMM) 或自适应交叉近似 (ACA),减少内存需求和求解时间,该工具的使用能够用于解决非常大的问题。

 

HFSS 快速模式

在产品设计周期的早期阶段,快速仿真结果可以提供有关设计趋势的宝贵洞见。为此,HFSS 纳入了快速仿真模式。快速模式可以调整求解器和自适应网格划分器,既能尽快返回结果,又不会过于降低解决方案的精确度。然后,随着设计接近尾声,可使用一个简单的滑块设置对 HFSS 求解器进行设定,让其使用 HFSS 经过行业测试的权威精确度回归到验证级签核交付精确度。

 

ANSYS HFSS SBR+

SBR+ 是唯一一款能够实现弹跳射线 (SBR) 技术的商用电磁求解器,可同时一致地执行物理绕射理论 (PTD)、一致性绕射理论 (UTD) 和爬波物理学方法,为数百上千个波长的大型电气平台在尺寸方面仿真已安装天线的性能。

SBR 使用光线追踪技术,对天线平台上的表面感应电流或由导体和电介质组成的散射几何条件进行建模。借助 SBR+ 求解器,工程师可对中等、大型及巨大平台上的远场已安装天线辐射形式、近场分配和天线到天线耦合(S 参数)做出快速准确的预测。可在车辆、飞机、雷达罩等大型结构中对传输和反射建模。此外,HFSS SBR+ 可提供有效的雷达标记建模,包括大型电气目标的 ISAR 图像。

物理绕射理论

物理绕射理论 (PTD) 楔形校正功能用于校正沿已安装天线平台锐利边缘的 PO 电流,以改善电磁场绕射。

一致性绕射理论

工程师可以对由发光几何边缘造成并由 PTD 楔形识别的一致性绕射理论边缘绕射 (UTD) 射线建模。对于散射几何形状的重要部分未受到直接照明或多次反射照明的情况而言,这一点非常重要。

 

爬波物理学

SBR 解决方案中的爬波物理学方法可提高直接安装在弯曲结构上的天线的精确度。其能够捕捉场源照明范围以外的表面波的影响。

 

加速多普勒处理

加速多普勒处理 (ADP) 可将 ADAS、自动驾驶车辆和其他近场雷达系统中使用的长中短程脉冲多普勒和线性调频连续波 (FMCW) 雷达进行加速处理,仿真速度可提升逾 100 倍。ADP 在 ANSYS Electronics Desktop 中纳入了集成的距离多普勒影像图后处理和动画。除 ADP 外,增益和自耦合天线链路还简化了整个雷达设计流程,因此雷达传感器仿真结果可以无缝地应用于安装性能建模和雷达环境距离多普勒仿真。该工作流简化了雷达传感器设计师与设备制造商之间的协作,方便他们将传感器安装到车辆和大型环境雷达仿真中。

 

可靠性和自适应网格划分

工程师了解并依靠 ANSYS HFSS 来自动提供准确的解决方案。可靠性的关键是自适应网格细化,其能够根据设计的物理学和电磁学生成准确的解决方案。此功能与其他电磁 (EM) 仿真工具的不同之处在于,其他电磁仿真工具要求工程师了解如何对结构进行网格划分才能获得准确的解决方案。自适应网格划分是一项高度稳健的网格划分技术,能够尽可能快地生成有效网格,从而保证解决方案的准确度。您只需导入或绘出几何形状,并指定所需材料、边界条件、励磁和频带,HFSS 会完成剩下所有的工作。

为了尽量减少对导入的 CAD 几何形状进行“修复和清洁”,HFSS 中纳入了强大 TAU flex 网格划分技术。TAU flex 可快速从“最脏”的模型中生成可靠的初始网格,方便您使用 HFSS 准确可靠的求解器技术迅速推进求解过程。




优化用户环境

功能齐全的三维实体建模器和布局界面让您能够在布局设计流程中操作,或导入和编辑三维 CAD 几何形状。

HFSS 3D 建模器:三维界面让您能够仿真复杂的三维几何形状或导入 CAD 几何形状,用于仿真高频组件,如天线、射频微波组件和生物医学设备等。您可以提取散射矩阵参数(S、Y、Z 参数)、对三维电磁场(近场和远场)进行可视化,并生成链接到电路仿真的 ANSYS Full-Wave SPICE 模型。

HFSS 3D 布局:HFSS 3D 布局是用于 PCB、IC 封装和片上无源器件分层几何形状的优化界面。其适用于对 PCB 和封装的信号完整性进行分析,包括全波或辐射影响。其应用范围涵盖具有复杂分路区域的高速串行链路和参考不良的传输线,以及贴片天线和毫米波电路。工程师可以绘制或导入几何形状,对电磁特性进行分析、显示辐射场、研究阻抗和传播常数,以及深入探索 S 参数或计算插入和返回损失。

模型在布局环境中组装和渲染,不过,所有的影响都经过严格仿真,包括迹线厚度和蚀刻、键合线以及焊球等三维特征。布局几何形状主要采用堆叠和过孔、引脚、迹线及键合线等专用基元以 2.5D进行描述。编辑器完全采用参数化设计,因此能够针对清扫、优化或实验设计 (DOE),轻松对迹线宽度或厚度进行改变或参数化。3D 布局内的 HFSS 求解器具有多个专门针对 PCB 和封装结构的功能。这些功能包括针对分层几何形状和集成电路元件优化的高级网格划分技术,以及用于离散组件建模的 S 参数。

若要准确预测某个系统的性能,分析集成环境中组件与子系统之间的电子交互至关重要。HFSS 3D 布局支持创建 PCB 组件及连接电路板、IC 和离散组件。采用此方法,您可以选择将3D 连接器模型置于 PCB 上,而无需创建电路图。电气工程师长期以来一直使用以电路图为基础的设计入口将印刷电路板、IC 封装和组件的模型连接在一起。这种方法适用于相对简单的设计,但对于规模更大和更为复杂的设计而言却十分冗长费时且容易出错。采用布局驱动组件,可以根据几何形状自动建立引脚连接。创建组件后,HFSS 3D 布局便可以调用一系列适用于各个组件的求解器,或者可以合并几何形状一起求解。

您可以从 HFSS 3D 布局界面访问包括 HFSS、SIwave 和 Planar EM 在内的众多求解器。这样便可以从同一设计和几何形状使用快速 SIwave 求解器进行迭代设计,并使用 HFSS 执行严格的验证。




三维组件

ANSYS 三维组件是更大仿真实验中的分立子组件,可轻松重复用于在 ANSYS HFSS 中进行电磁仿真。三维组件囊括几何形状、材料属性、边界条件、网格设置、励磁和离散参数控件。它们可以便捷地重复用于设计天线、连接器和表面贴装设备(如片状电容、电感和分立型 LTCC 滤波器)等设备。为在整个行业内实现广泛合作,可使用密码保护、文档加密和创建设置来创建 ANSYS 三维组件,以便慎重地控制对组件最终用户可见的功能。但由于 HFSS 仿真引擎完全了解仿真实验内的整个组件,因此,能够提供完全耦合的完整电磁仿真结果。

可以将 ANSYS 三维组件比作仿真实验的构造块,作为即插即用型模块使用。由于三维组件可提供完全耦合的电磁分析,相较于仅提供试验装置上组件所做响应的 S 参数模型,它们拥有显著优势。系统集成商只需将组件添加到系统上,例如飞机天线的3D组件,来仿真天线的安装性能。集成商可以这样做的原因是,他们有信心使用 ANSYS HFSS 仿真结果可以代表完全耦合且准确的模型。

分立器件的供应商和开发商可以在 ANSYS HFSS 内创建已就绪可执行仿真的三维组件,并将这些三维组件提供给最终用户,将它们用于更大型系统仿真。拥有了此三维组件合作能力,供应商便可向其客户提供可以执行 HFSS 仿真的模型,让客户的设计一次性成功,给客户带去重要价值。

Modelithics® 是 ANSYS 的合作伙伴,提供了 HFSS 3D 组件的授权库。库内包含适用于 Barry QFN 封装、RJR QFN 封装、Coilcraft 电感器、Johanson 电容器、Mini-Circuits 滤波器和 Gigalane 同轴连接器的模型。

 


高级相控阵天线仿真

在 ANSYS HFSS 中,工程师可以通过先进的单元仿真,对具有所有电磁效应的有限及无限相控阵天线进行模拟,包括互耦、阵列晶格定义、有限阵列边缘效应、假元件、元件消隐等。备选阵列设计可检验任何光束扫描条件下所有元件的输入阻抗。根据任何相关扫描条件下元件的匹配(无源或受激)远场及近场模式行为,可在元件、子阵列或完整阵列层面上对相控阵天线的性能进行优化。

无限阵列建模涉及放置在单元内的一个或多个天线元件。该单元包含周围墙壁上的周期性边界条件,以对场进行镜像,从而创建无数元件。可以计算每个元件的扫描阻抗和嵌入式元件辐射图,包括所有互耦效应。该方法对于预测在一定的阵列波束控制条件下可能出现的阵列盲区扫描角度特别有用。

有限阵列仿真技术利用具有单元的域分解,为有限大小的大型阵列快速求解。该技术能够执行完整的阵列分析,预测所有互耦合、扫描阻抗、元件图案、阵列图案和阵列边缘效应。




高性能计算

电子 HPC

ANSYS 电子 HPC 支持并行处理,可以解决非常棘手、颇具挑战性的模型,即具有详尽几何细节、大型系统和复杂物理学的模型。ANSYS 远远不止是简单的硬件加速,还提供开创性的数值求解器和 HPC 方法。这些方法针对多核机器进行了优化,并且可以扩展,以便充分利用整个集群的优势。所需 HPC 的数量仅取决于分析中所用内核的总数,与所采用的 HPC 技术无关。

多线程:ANSYS 电子 HPC 利用单台计算机上的多个内核来缩短解算时间。多线程技术加快了初始网格生成、矩阵求解和场复原。

光谱分解方法:光谱分解方法 (SDM) 在并行计算核心和节点中分配多个频点,从而加速频率扫描。虽然 SDM 可并行处理多频点提取,不过您可以将此方法与多线程结合起来使用,加快单个频点的提取。

域分解方法:域分解方法 (DDM) 通过在多核和网络化节点上分布仿真,加速更大和更复杂几何形状的求解。此方法主要用于使用分布式内存解决较大的问题。其也可以结合多线程和 SDM,对仿真可扩展性进行改进并提高仿真吞吐量。

周期性域分解:周期性域分解将 DDM 应用于有限周期性结构,例如天线阵列或频率选择表面。此法虚拟复制周期性结构单元的几何形状和网格,然后将 DDM 算法应用于得到的有限大小的阵列,从而求解所有单元的唯一场。仿真能力和速度得到大幅提升。该方法可与多线程和 SDM 结合使用,能够进一步加快解决速度。

混合域分解法:混合 DDM 在由有限元 (FE) 和积分方程 (IE) 域组成的模型上使用域分解方法。HFSS IE 求解器附加组件允许您创建能够解决极大电磁问题的 HFSS 模型。这种方法结合了 FEM 处理复杂几何形状的优势,以及 MoM 用于天线和雷达截面积分析的高效解决方案的优点。混合 DDM 可与多线程和 SDM 结合使用,能够进一步加快解决速度。

分布式直接矩阵求解器:分布式直接矩阵求解器是用于 HFSS 和 HFSS-IE 求解器的分布式存储器并行技术。矩阵的解决方案分布在多核或 MPI 集成计算机上。它通过增加 MPI 内存访问提高可扩展性,再通过增加 MPI 网络内核访问来提高速度,从而实现高精度直接矩阵求解器解决方案。这些分布式存储器矩阵求解器可以与多线程和 SDM 结合使用,能够进一步提高仿真吞吐量。

云端 HPC:ANSYS Cloud 服务让高性能计算 (HPC) 功能的访问和使用也变得极为容易。它是由 ANSYS 与 HPC 领先的云平台 — Microsoft Azure 合作开发的。其已集成到 Electronics Desktop,因此您可以从设计环境中按需获取无限的计算能力。



DDM 将网格子域解决方案分发给多个内核,包括联网的计算内核。通过并行求解这些子域,您可以显著提升仿真能力和速度。

RF 选项

ANSYS RF 选项结合 HFSS,可以创建端到端的高性能 RF 仿真流程。该选项不仅包含 ANSYS EMIT — 用于在具有多个干扰源的复杂 RF 环境中预测 RF 系统性能的独特多保真方法,还提供快速识别 RFI 问题根本原因所需的诊断工具。RF 选项中还有 ANSYS 电路,而该电路则包含谐波平衡电路仿真、2.5 D平面力矩方法求解器、过滤器合成等功能。

RF 选项功能

EMIT

  • RF 链路预算分析   内置无线传播模型    RF 共址和天线共存分析   用于快速根本原因分析的自动诊断

  • 快速评估和比较潜在的缓解措施  RF 无线电和组件库  多保真行为无线电模型  天线到天线耦合模型

电路分析

  • 线性  瞬态  采用多个连续选项进行的 DC 分析  多频源谐波平衡分析

打靶法

  • 振荡器分析

自主增强驱动源选项

  • 时变噪声和相位噪声分析  包络分析

多载波调制支持

  • 负载牵引分析和模型支持  周期传输功能分析  瞬态分析

ANSYS EMIT 可以解决完整的 RF 环境问题,包括射频干扰。

SI 选项

与 ANSYS SI 选项组合使用的 HFSS 非常适合分析 PCB、电子产品封装、连接器和其他复杂互连设计中的信号完整性、电源完整性,以及时间减少和噪声容限缩小引起的 EMI。配备 SI 选项的 HFSS 可轻松应对 IC、封装、连接器和 PCB 各晶圆现代化互连设计的复杂性。利用与强大的电路和系统仿真动态链接的先进 HFSS 电磁场仿真功能,工程师可以在早于构建硬件原型之前很久就了解高速电子产品的性能。这种方法可加快上市时间,降低成本,提高系统性能,使电子公司获得竞争优势。ANSYS SI 选项为 HFSS 添加了瞬态电路分析功能。这能帮助工程师开发包含驱动电路以及通道的高速通道设计。驱动电路可以是晶体管级电路、基于 IBIS 的电路或理想的电源。在这些通道上进行分析时,可选择不同分析类型:

  • 线性网络分析(包含于 HFSS)

  • 瞬态分析

  • QuickEye 和 VerifEye 分析,可在高速通道设计、浴盆曲线、抖动和眼图遮罩中快速生成眼图

  • 支持 Spectre® 和 HSPICE® 功能的蒙特卡罗分析

  • 能够自动收敛的 DC 分析

  • 与 ANSYS Q3D Extractor 和 ANSYS SIwave 建立的动态链接

  • IBIS-AMI 分析和模型支持



使用 ANSYS SI 选项完成的 DDR3 仿真,显示了 DQ、DQS 和计时眼图。

多域系统建模

ANSYS Simplorer 是一个强大的平台,可为系统级别数字原型建模并进行仿真,集成了 ANSYS Maxwell、ANSYS HFSS、ANSYS SIwave 和 ANSYS Q3D Extractor。工程师可验证和优化软件控制型多域系统设计的性能。Simplorer 具有灵活的建模功能,并与 ANSYS 3D 物理仿真紧密集成,广泛支持装配和仿真系统级物理模型,帮助工程师进行概念设计、详细分析和系统验证。Simplorer 对于电力驱动系统设计、发电、电力转换、蓄电和配电等应用极佳,以及 EMI/EMC 研究和通用多域系统优化与验证。

Simplorer 功能:

  • 电路仿真  框图仿真  状态机仿真  VHDL-AMS 仿真  集成化图形建模环境

模型库

  • 模拟和电源电子产品组件  控制模块和传感器  机械组件  液压组件  数字和逻辑模块

应用专用库

  • 航天电子网络  电动车辆  电力系统  制造商特色组件  降阶建模  

  • 电源电子设备和模块表征  与 MathWorks Simulink 协同仿真




EMI 扫描仪

此功能可完成 PCB 的自定义自动 EMI 设计规则检查。在仿真之前,EMI 扫描器可以快速识别对 PCB 设计有潜在干扰的区域。传统上来说,EMI 问题难以仿真,并且所需计算时间较长。ANSYS SIwave 和 ANSYS HFSS 中的这一新功能可以快速识别需要进一步调查的潜在故障点。这就消除了错误,加快了上市时间。