产品中心

Products Center

ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


Ansys HFSS:用于射频和无线设计的三维电磁场仿真工具


Ansys HFSS是一款用于设计和模拟高频电子产品(如天线、天线阵列、射频或微波元件、高速互连、滤波器、连接器、IC封装和印刷电路板)的三维电磁场仿真软件。世界各地的工程师使用Ansys HFSS设计通信系统、雷达系统、高级驾驶辅助系统(ADAS)、卫星、物联网(IOT)产品和其他高速射频产品中的高速高频设备。

HFSS采用多个求解器和直观的图形用户界面,为您提供无与伦比的性能,帮助您深入洞察所有三维电磁问题。通过与Ansys的热、结构和流体动力学工具集成,HFSS能为电子产品提供强大而完整的多物理场分析,可确保其热和结构的可靠性。由于其自适应网格技术和复杂的求解器,HFSS在解决三维电磁挑战方面达到黄金标准精度和可靠性,其模拟过程均可通过高性能计算(HPC)技术加速求解。

Ansys HFSS仿真套件由一套综合解决方案组成,解决各种电磁问题,从无源IC组件到超大规模的电磁分析(如ADAS系统的汽车雷达场景)。

它可靠的自适应网格优化,让您专注于设计,而不是花时间定义和创建适合的网格。这种自动化带来的精度保证将HFSS与其他需要用户手动控制和选择多种求解方法的电磁仿真软件区分开来,其他软件需要用户干预以确保生成的网格适用且准确。

Ansys HFSS,基于物理问题定义计算网格,而非基于计算网格定义物理问题。

Ansys HFSS是研发和虚拟原型设计的理想电磁场工具。利用Ansys HFSS可帮助用户缩短设计周期,提高产品的可靠性和性能,从而击败竞争对手,占领市场。

ANSYS HFSS 高频电磁场仿真





使用环境与设计流程


HFSS 软件使用环境(MCAD,Layout)

HFSS软件经过多个版本的更迭,不断创新,整合集成使用环境,形成了单一电子桌面使用环境下,无缝集成了三维界面,层叠界面,以及原理图界面三种不同的使用界面,相互之间保持设计的相对独立而又相互协同,统一在协作式仿真设计环境AEDT中。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


不管是何种用户界面, 工程师们都在使用参数化建模帮助设计,都可以使用相同的FEM场求解器,采用自适应网格技术及精确的求解技术,从而保持HFSS一贯的高效率和高精度特点,兼顾了来自不同设计环境背景的用户使用习惯和效率需求。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


HFSS 软件使用流程(建模- 求解- 后处理- 优化)

基于HFSS的工程设计大体分为四步:建模、仿真、后处理及扫频与优化设计。

在建模阶段,设计者既可以应用HFSS中三维建模器进行建模,也可以从其它MCAD或PCB layout工具中导入结构模型,或者利用Antenna Toolkit直接生成天线仿真模型。HFSS的三维实体建模器可方便地用于创建波导、天线、连接器、封装等三维模型,并支持全参数化建模。

在仿真阶段,HFSS独有的自适应求解技术使仿真问题从初始网格剖分到自适应求解及扫频都由软件自动完成。这一自动化的仿真流程既降低了使用仿真工具的难度、同时也确保了仿真结果的一致性,大大减少了设计者的工作量,并且降低了对其设计经验的要求。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


天线设计辅助工具ATK

Antenna Toolkit是一款基于ACT技术天线辅助设计工具,可提供强大的天线设计综合能力,针对包括偶极子天线、贴片天线、角锥天线、平面螺旋天线、锥形螺旋天线、Vivaldi天线、对数周期天线、PIFA天线、波导天线、蝶形天线、双锥天线、盘锥天线、反射面天线,阵列天线等在内的几十种常用天线,在给定其工作频率或频带范围之后,快速地综合出天线相应的物理尺寸参数,自动实现建模、端口/边界条件定义、求解设置、生成后处理报告等各项功能。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真




HFSS关键技术



基本原理与精度保证

HFSS可以求解任意三维空间的电磁场问题,首先根据求解问题的频率和波长,把物理原型划分成若干四面体初始网格,将其离散化,生成矩阵后求解得到电磁场分布和端口参数等结果,然后开始自适应网格加密对求解的问题进行迭代计算,当前后两次迭代计算的误差小于用户预先定义的门限值即得到收敛的计算结果,然后对全频带进行宽频带扫频计算,得到宽带频率响应。HFSS仿真过程中的初始网格生成和网格加密都是软件自动完成,无需人为干预,确保仿真结果精确可靠,并且可重复。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


有限元(FEM) 求解算法


●混合阶基函数技术

混合阶(Mixed Element Order)基函数技术减少了网格和未知量,进一步地提高了求解效率。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


●曲线单元技术

对于复杂曲面结构,HFSS的曲线单元技术可以实现更好的网格剖分。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真

ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


●自适应网格技术

HFSS自适应的网格技术使网格剖分的整个流程完全自动化,无需人为干预,软件自动完成从物理网格剖分,电网格剖分,初始网格生成,到网格自动加密迭代计算的全过程,极大程度上保证了有限元求解的精度。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


●宽带网格技术(BAM)

宽带网格技术(Broadband Adaptive Mesh)是HFSS用于求解超宽带问题的方法,利用多个频点并行以得到覆盖全频带的自适应网格,为整个宽频带提供可靠和保证精度的网格,利用HPC使得多频点计算可同时进行。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


●革命性的网格融合技术(Mesh Fusion)

新版本推出的全新革命性技术网格融合,将HFSS的网格技术提升到一个全新的高度,基于三维部件技术,可实现跨尺度装配方式的高效网格剖分,解决大型场景问题中的网格尺度问题。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


●超限单元法求解端口S参数

超限单元法是HFSS算法的核心技术之一,在这一方法中,待求解的场量,用端口处的模式为基函数展开,因此求解泛函中的场量就转化为求解模式的展开系数,S参数在求解场量的同时也得到求解,不需要对场量进行后处理,因此更加准确。

正是因为这一特有技术,使得HFSS在端口S参数的求解方面精度明显高于其它软件,受益的应用领域包括各类天线、波导类器件及PCB/封装为代表的信号完整性仿真等采用端口类激励器件的仿真。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


●快速扫频技术

HFSS的快速扫频方法计算时间对于扫频带宽和扫频点数不敏感,对于宽带内具有多谐振点的微波问题,可以利用这一方法快速找到各个谐振频率,并获得其场分布。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


积分方程(IE) 求解算法(ACA 与MLFMM)

HFSS的积分方程算法基于麦克斯维方程的积分形式,可自动满足辐射边界条件,采用积分方程对求解对象进行全波求解,计算模型表面的电流,能够求解导体和介质模型。对于简单模型及材料的辐射问题,具有很大的优势。HFSS的积分方程法求解器包含两种算法:

●自适应交叉近似(ACA, Adaptive Cross Approximation)算法适合复杂结构求解。

●多层快速多极子算法(MLFMM)则适合求解松散的电大结构,该算法特别适合求解平台上天线布局和雷达目标特性等问题。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


弹跳射线法求解器(SBR+)

HFSS的增强弹跳射线法求解器(SBR+)使用高频射线算法,考虑了多次射线反射,边缘一致性,绕射一致性以及表面爬行波等多方面影响,具有非常高效的速度,同时具有非常好的精度,在大型平台的天线布局,以及场景级高频应用中效果非常好。还可提供可视化射线追踪模拟功能,帮助快速研究大型场景中的射线轨迹和传播方式。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


两种互补的时域求解算法

HFSS时域求解包括时域间断伽略金算法(DGTD)和隐式有限元时域算法(FETD)。两种方法均采用共形的非均匀四面体网格并通过自适应网格加密技术保证模型的保真度。

HFSS时域求解的典型应用包括探地雷达、超宽带天线、瞬态RCS、雷击、静电放电、时域反射阻抗(TDR)等。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


微放电求解功能

微放电求解器(Multipaction Solver)分析真空环境下射频微波器件中的二次电子倍增效应。微放电求解器直接导入HFSS计算得到的频域电磁场,通过金属及介质体表面定义的二次电子发射系数SEY,采用基于四面体网格的粒子模拟法(PIC)计算带电粒子的微放电效应并预测微放电功率阈值。



本征模求解功能

本征模求解器(Eigenmode Solver)基于有限元方法精确求解封闭腔体的自谐振频率和谐振Q值,结合理想匹配层(PML),可进一步得到腔体的有载Q值。在电真空器件设计中,本征模求解器结合周期性边界条件,可精确仿真器件的色散特性,相速与频率的关系以及电磁场分布。


特征模求解功能

特征模分析(Characteristic Mode Analysis)基于积分方程方法计算结构自身支持的一组正交电流模式,得到各个模式的特征值、特征角、模式权重系数以及激励电流对应的模式电流加权系数。基于结构的特征模分析,有助于深入理解天线的辐射机理,优化天线设计以及布局位置,并通过结构固有的正交模式提高MIMO应用中多天线的隔离度。


混合算法技术

HFSS软件提供了成熟的有限元算法FEM、积分方程法IE、光学算法SBR(含PO)等。充分利用各个算法的优势,在同一个问题中,针对不同的部分选择理想的算法求解,这就是混合算法技术。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


●区域分解法(DDM)

区域分解法,即Domain Decomposition Method,可以根据计算的网格规模自动进行分域求解;不同的算法类型分配不同的域,每种算法类型的域,可以根据网格规模,再次划分为一系列的子域,具体的子域数量将根据可调用的CPU数量、网格数量等自动划分。

区域分解法,是混合算法技术得以实现的根本源动力,也是有限大阵列仿真与3D Component阵列仿真中的关键技术。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


●有限大阵列仿真-Finite Array+DDM (FA-DDM)

有限大阵列仿真功能,充分利用了阵列天线的周期重复性特点,借用周期边界的单元模型网格,快速生成周期阵列的全网格模型,然后以DDM域分解的并行计算,快速得到整个阵列的结果。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


●三维部件阵列仿真-3D Component Array+DDM

三维部件阵列仿真,是一种充分利用了有限大阵列(Finite Array)仿真的流程,来实现非周期阵列的快速建模与仿真的方法。三维部件阵列同样需要对每一个不同的三维部件独立求解,直至收敛到结果一步。然后汇总所有单元的结果网格以DDM域分解技术,快速得到整个阵列的结果。三维部件阵列仿真与有限大阵列仿真的极不同,在于单元模型的个数、网格模型的获取、非周期阵列是否可使用等几个方面。在求解结果上,同样考虑各种单元耦合效应与边缘效应,获取高效高精度的仿真结果。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


●FE-BI与Region边界

FE-BI,全称Finite Element Boundary Integral,译为有限单元-边界积分。FE-BI边界用于设置空气盒子,作为辐射边界使用,与常用的Radiation边界、PML边界类似。FE-BI边界、IE-Region/SBR-Region/PO-Region,都是混合算法的典型应用。FE-BI用于设置空气盒子;Region边界用于设置其他独立的金属体、材料等效的面、介质体等。模型里可以有多个FE-BI求解区域,也可以有多个Region求解区域,它们都需要DDM域分解法来进行求解。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


高性能计算技术

高性能计算(High Performance Computing)是工程仿真软件的并行加速计算技术的总称。包括传统的多线程共享内存式、分布式矩阵求解,以及当前极高效的DDM域分解技术、GPU加速技术、谱区域分解技术、分布式参数扫描等。


●谱区域分解法

通过谱区域分解法SDM,可以将宽带频率扫描点,并行发布到一定数目的CPU上,进行多频率点的并行计算。这种独特的方法,显著缩短了获得高精度宽带扫描结果的仿真时间。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真



●分布式参数求解

分布式参数求解,指的是参数扫描的多发式并行计算。可根据软件能调用的CPU资源,自动选择多个预先定义的参数设计组合,分配到不同的CPU、计算机上进行并行的求解,以完成模型的几何尺寸、材料、边界和激励等条件变化时的设计探索。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


周期结构仿真功能

HFSS中的Floquet端口专门用于求解周期性结构,如平面相控阵和频率选择性表面结构。Floquet端口的主要优势为入射波扫描的求解设置简单,速度比定义入射波激励的方式有大幅提升,尤其在有宽带扫频的情况下,求解速度提升10倍以上。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


动态链接功能实现先进的协同设计流程

HFSS的不同设计和项目之间可进行场到场动态链接。这样就能够把一个复杂的系统拆分成部件进行仿真,典型的应用如反射面天线、天线与天线罩仿真、复杂系统的EMI/EMC等。



ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


强大的后处理功能

HFSS能够快速精确地求解并观察设计者所需的各种结果,包括矩阵参数、电磁场分布、远场和近场辐射特性、EMI/EMC等。无需预先设置或重新求解,通过改变端口输入信号的功率和相位,方便地得到结构内部的场强、多端口天线的辐射特性变化等各种结果,强大的场计算器功能,可以进一步地获得所需的各种结果,如局部电压、电流、导体损耗、介质损耗等。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


●端口参数后处理

●?二维本征模求解器计算端口模式和阻抗

●S-, Y-, Z-参数(单端、差分、去内嵌和重新归一化)


●场后处理

●?远/近场辐射特性(二维、三维作图,增益、波瓣宽度等)

●?求解空间内任意表面或空间内的电磁场分布的三维静态及动画作图,包括矢量、幅值及流线作图

●?有载本征谐振频率及谐振模式场分布

●?手机或生物医疗常用的SAR计算包括矢量、幅值及流线作图;

●?单/双站RCS

●?辐射测试(三米法、十米法)



ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


●场计算器后处理

ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


●后处理增强功能(ACT)

●Radar Pre/Post


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


全面的深入优化技术


●伴随求导技术

伴随求导技术通过计算S参数以及远场数据对结构、材料和边界条件改变的偏导数,直观为设计者揭示设计敏感度和加工误差对器件性能的影响。伴随求导技术提供参数实时调谐功能,实现对设计的S参数以及方向图的快速优化。



ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


●自动优化技术

HFSS优化功能是一个智能化的参数扫描和优化设计引擎,包含十多种先进的优化算法。设计者通过简单易用的界面完成参数化扫描、优化、敏感度分析及统计分析。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


●DX优化技术

HFSS集成了Ansys DesignXplorer软件的实验设计(DoE)和响应面(Response Surface)分析技术,设计者可直接在HFSS中进行设计空间探索以及构建响应面优化,也可将数据传递到DesignXplorer中完成多学科协同设计和优化。

ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


●optiSLang优化技术

optiSLang是Ansys全新的仿真流程管理和多学科优化工具,optiSLang具有先进的***预测元模型(MoP)技术以及参数敏感度分析技术。HFSS的电磁场设计通过optiSLang的参数筛选以及智能优化技术可以实现产品更高效的优化和鲁棒性设计。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


一体化的电热耦合设计环境

从19版本开始,Ansys电子桌面中集成了IcePak求解器,形成了新一代的一体化电热耦合设计环境AEDT-Icepak,更注重电和热的耦合,更适合电工程师的操作习惯,在电的设计阶段就可以考虑一部分热设计的问题,缩短总体研发流程。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


跨学科的多物理场耦合仿真能力

HFSS软件可与Ansys的其他物理场仿真软件,通过统一的Workbench环境,形成完整的多物理场耦合仿真能力平台。利用HFSS仿真电磁场,无损链接至Ansys Mechanical或Fluent/CFX/Icepack中进行热/应力仿真,将热负载以及任何外部负载导入结构求解器来计算形变。可实现完全的双向耦合,通过HFSS求解基于热仿真结果的具有温变特性的电气性能,将结构分析的形变网格结果返回HFSS做进一步分析,基于仿真流程进行迭代,直到达到稳态特性。此外,可利用DesignXplorer,optiSLang等工具实现跨学科的设计空间探索功能,大幅提升仿真流程的顺畅度和效率,提升产品设计的潜力挖掘能力。


ANSYS HFSS 高频电磁场仿真


产品咨询请联系

电话:15521163312(微信同号)

邮箱: wenye@mooreda.com.cn