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HFSS

ANSYS 高性能工具实现高频/高速组件设计


由于电子器件的性能取决于电磁场状态,我们需要对其进行快速精准的仿真,在任何设计原型加工之前,获知该设计在实际工作中的性能。ANSYS HFSS 仿真结果能给我们信心:该技术可在用户最少干预的情况下得到最准确的分析结果。作为任意三维结构全波电磁场仿真的标准工具,HFSS 是现代电子设备中设计高频 / 高速电子组件的首选工具。


全面了解电磁环境之后才能更准确的预测一个部件或子系统,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。因此,我们可着重于设计问题从而大大减少建立同等质量网格的时间。

HFSS 受益于多种最尖端的求解技术,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最适合,最有效和最准确的网格进行求解,以保证求解的精度。

HFSS 的仿真结果可得出对于工程设计的重要信息。典型的电磁场仿真结果包括散射参数(S,Y,Z), 三维电磁场图显示(瞬态和稳态),阻抗失配产生的传输损耗,回波损耗,寄生耦合,以及近 / 远场的天线辐射方向图等。


工程师可用 HFSS 得到可靠而准确的结果,而与是何种电磁仿真类型无关。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。

与ANSYS Workbench 集合


HFSS 的高性能及高准确性也可通过 ANSYSWorkbench 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。



完整的高频求解工具箱支持全方位应用


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 SPICETM 模型,该模型可用在 Ansoft 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最高的求解精度和最佳的求解时间。


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。全球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。



按需求解(SoD)技术充分利用 HFSS 的精度优势 


按需求解


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Ansoft 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同样实现三维 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。



先进的求解选项解决最大最复杂的设计问题


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受益。


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)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,如自动产生最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。


IE 求解器附加选项亦可支持建立采用 FEM-IE 混合方法求解电磁问题的 HFSS 模型。有限单元边界积分法(FE-BI)求解器直接将积分方程的开放边界条件作为有限元的截断边界。


采用 HFSS 和 IE 附加选项,联合两种最好的强大技术:求解复杂几何结构的有限元,加上直接自由空间格林函数求解的积分方程技术,从而得到精确的辐射和散射问题求解。天线设计工程师可实现远场辐射方向图的高精度要求,从而在电磁设计中更加得心应手。


HFSS-IE 允许共形辐射边界,并可包含凹陷几何结构,这在根本上减少了有限元区域的体积,从而显著减少包含天线平台的仿真规模。


瞬态求解(Transient)


HFSS transient 是一个基于间断伽略金时域算法(DGTD)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预先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,如时域反射测量(TDR)计算等。另外,可以求解短周期脉冲激励问题,如探地雷达,静电放电,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。


物理光学(PO)


物理光学求解功能非常适合分析超电大尺寸结构。PO 可用来设计大型反射面天线,卫星或其他天线载体平台,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。



HPC—利用计算资源快速精确求解大规模电磁仿真问题  


区域分解法


区域分解法方法(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 / 机器数目确定最优的子域数目;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,子域之间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型模型求解。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。


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。这种节省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域的数据。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时的设计探索。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,提供了最高水平的分布式仿真的计算性能及并行化。


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。 



HFSS 是 ANSYS 求解多物理场问题不可分割的组成部分


ANSYS HFSS 及相关电磁工具作为集成的多物理场分析环境的一部分,提供从深度到广度的尖端功能,大量先进的功能及集成的多物理场仿真,为设计者提供可靠的反映实际的仿真结果。全方位的解决方案,提供了几乎所有工程设计过程中涉及到的仿真问题的解决办法。 全球各地的组织及企业信任ANSYS 产品可帮助他们实现产品设计要求。 


设计分析和优化


为了了解设计性能,我们必须确定所有的设计参数的影响,这可使得为满足性能要求 的 各 种 修 改 变 得 简 单。HFSS 与 ANSYSDesignXplorer链接使我们更加深入的了解产品,了解设计变量和产品性能之间的关系。两者间的相互关系可帮助执行六西格玛分析的良率统计分析和实验研究设计。
 


几何模型和版图接口


采用 AnsoftLinks 的 ECAD 工具接口,HFSS可以紧密与如 Cadence,Mentor Graphics,Synopsys,Altium 和 Zuken 等 公 司 的 布 局设计工具集成。使用 Ansoftlinks 的 MCAD工 具 接 口, 用 户 可 以 直 接 导 入 CATIA,ProENGINEER,STEP 和 IGES 等 类 型 的文件格式。此外,ANSYS DesignModeler可辅助创建几何 ; ANSYS 的 SpaceClaim 的Direct modeler 技术可直接生成模型供 HFSS使用。




多物理场与系统集成


与 ANSYS Workbench 平台的集成可提供基于 HFSS 仿真结果为输入条件的热和流体分析。


此外,HFSS 集成了一个系统解决方案,涉及电路和元器件。用户可使用 HFSS 做元器件级别的分析,再合并成一个完整电路。该过程形成一个唯一的系统仿真,系统性能依赖于物理模型。


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