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1 概述
ANSYS HFSS是一款3D電磁（EM）仿真軟件，用于設(shè)計(jì)和仿真高頻電子產(chǎn)品，例如天線，天線陣列，RF或微波組件，高速互連，濾波器，連接器，IC封裝和印刷電路板。全球工程師使用ANSYS HFSS來設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)，雷達(dá)系統(tǒng)，駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS），衛(wèi)星，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）產(chǎn)品以及其他高速RF和數(shù)字中的高頻，高速電子產(chǎn)品設(shè)備。
HFSS提供基于有限元、積分方程、漸進(jìn)和混合算法的求解技術(shù)，旨在計(jì)算各種各樣的微波、RF（射頻）和高速數(shù)字化等問題。
HFSS為部件提供三維全波精度的仿真技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)RF和高速設(shè)計(jì)。通過電磁場(chǎng)求解器和強(qiáng)大的諧波平衡和瞬態(tài)電路求解器之間的動(dòng)態(tài)鏈接，HFSS打破了重復(fù)設(shè)計(jì)迭代和冗長(zhǎng)物理原型制作的循環(huán)。借助HFSS，工程團(tuán)隊(duì)在包括天線、相控陣、無源RF/微波組件、高速互連、連接器、IC封裝和PCB等廣泛應(yīng)用中持續(xù)地實(shí)現(xiàn)高端設(shè)計(jì)。
2 功能特點(diǎn)
高頻電磁求解器
ANSYS HFSS擁有一套完善的高頻電磁場(chǎng)仿真解決方案，它的算法包括：高精度有限元法 （FEM）、大規(guī)模矩量法（MoM）技術(shù)、超大規(guī)模物理光學(xué)（PO）近似法和射線彈跳法（SBR）。
HFSS FEM：三維全波頻域電磁場(chǎng)求解器。工程師能夠可靠地提取SYZ參數(shù)、可視化三維電磁場(chǎng)，并生成組件模型，用于評(píng)估信號(hào)質(zhì)量、傳輸路徑損耗、阻抗失配、寄生耦合和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射。
HFSS瞬態(tài)：仿真瞬態(tài)電磁場(chǎng)的表現(xiàn)，并在諸如時(shí)域反射（TDR）、地面穿透雷達(dá)（GPR）、靜電放電（ESD）、電磁干擾（EMI）和雷擊等應(yīng)用中可視化場(chǎng)或系統(tǒng)響應(yīng)。該技術(shù)是對(duì)HFSS頻域解決方案的有力補(bǔ)充，讓工程師能夠在同一網(wǎng)格上和在時(shí)域/頻域中了解電磁特性。
HFSS SBR+：天線性能仿真軟件，可以在大型電氣平臺(tái)上快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)安裝天線的方向性、近場(chǎng)分布和天線間的耦合。它利用近似的射線彈跳法加（SBR+）技術(shù)，以令人難以置信的速度和可擴(kuò)展性，能夠計(jì)算準(zhǔn)確的解。
HFSS IE：HFSS-IE（積分方程法）使用三維矩量法（MoM）技術(shù)。它是研究輻射（如天線設(shè)計(jì)或安裝）和散射（如雷達(dá)截面積RCS）等問題的理想選擇。求解器可以使用多層快速多極子算法（MLFMM）或自適應(yīng)交叉近似算法（ACA），減少內(nèi)存需求和求解時(shí)間，使得該工具能夠用于求解電大尺寸問題。
HFSS混合技術(shù)：有限元邊界積分（FE-BI）混合技術(shù)為HFSS提供了理想的吸收邊界條件。通過減少有限元域總體積的共形輻射邊界（包括凹性幾何形狀）設(shè)置，顯著減小尺寸，實(shí)現(xiàn)天線平臺(tái)集成問題的仿真。
自適應(yīng)網(wǎng)格生成
采用自適應(yīng)網(wǎng)格生成技術(shù)，您只需指定幾何形狀、材料屬性和期望的輸出即可。網(wǎng)格生成過程使用高度穩(wěn)健的體積網(wǎng)格生成技術(shù)，并且具有多線程加速功能，減少了內(nèi)存使用量，并縮短求解時(shí)間。這種成熟的技術(shù)消除了構(gòu)建和精細(xì)化有限元網(wǎng)格的復(fù)雜性，并使數(shù)值分析算法可以適用于您遇到的各種層次問題。
適用于平面層疊結(jié)構(gòu)的Phi Mesh
Phi vs Classic
針對(duì)疊層結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了優(yōu)化
? 從模型中逐層生成三角形面網(wǎng)格，然后沿堆疊（+z）方向掃掠網(wǎng)格以生成四面體網(wǎng)格
? 僅適用于疊層結(jié)構(gòu)或“ Z向等厚”的模型。 如IC組件和封裝，PCB等。（當(dāng)定義了 bondwires 或上/下蝕刻因子時(shí)，只能使用Classic Mesher）
網(wǎng)格初始化快速
? 包括基于波長(zhǎng)的網(wǎng)格細(xì)化過程和端口網(wǎng)格迭代過程
? 初始化網(wǎng)格量與Classic相當(dāng)
可以剖分電尺寸更大的模型
? 與分布式內(nèi)存求解器和硬件結(jié)合使用，可以解決更大和復(fù)雜的設(shè)計(jì)
Phi for MCAD
? HFSS 3D中自動(dòng)檢測(cè)有效的幾何結(jié)構(gòu)
? 改進(jìn)的網(wǎng)格裝配功能可以解決混合模型求解問題
HFSS網(wǎng)格融合（Mesh Fusion）
? HFSS 2021R1 全新功能(Beta)
? 網(wǎng)格融合功能的特征:
· 指定區(qū)域網(wǎng)格獨(dú)立剖分
1. 每個(gè)區(qū)域采用優(yōu)的剖分方法和尺度
2. 不同區(qū)域網(wǎng)格并行剖分
· 改善多尺度裝配模型網(wǎng)格可靠性
1. 電大尺寸平臺(tái)天線布局
2. 包含IC/封裝/連接器的PCB
? FEM求解器技術(shù)的重大突破
· 網(wǎng)格剖分和FEM求解技術(shù)的完美結(jié)合
· 精度無妥協(xié)，完整考慮跨域耦合
· 提供完美的HFSS黃金標(biāo)準(zhǔn)精度
Mesh Fusion Example: Speed up with Complex Designs
? HFSS 3D Layout: Highly complex PCB with bondwire package and edge mount connector
優(yōu)化的用戶環(huán)境
功能齊全的3D實(shí)體建模器和布局界面使您可以在布局設(shè)計(jì)流程中進(jìn)行工作，或?qū)牒途庉?D CAD幾何圖形。
HFSS 3D Modeler：3D界面使您能夠建模復(fù)雜的3D幾何圖形或?qū)隒AD幾何圖形，以仿真高頻組件，例如天線，RF /微波組件和生物學(xué)設(shè)備。您可以提取散射矩陣參數(shù)（S，Y，Z參數(shù)），可視化3D電磁場(chǎng)（近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)），并生成可鏈接到電路仿真的ANSYS全波SPICE模型。
HFSS 3D Layout：HFSS 3D Layout是針對(duì)PCB，IC封裝和片上無源元件的分層幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化接口。它適用于分析PCB和封裝的信號(hào)完整性，包括全波或輻射效應(yīng)。應(yīng)用范圍從具有復(fù)雜突圍區(qū)域和參考不佳的傳輸線的高速串行鏈路到貼片天線和毫米波電路。工程師可以繪制或?qū)霂缀螆D形以分析電磁行為，顯示輻射場(chǎng)，研究阻抗和傳播常數(shù)，探索S參數(shù)或計(jì)算插入損耗和回波損耗。
在Layout環(huán)境中組裝并渲染模型。但是，所有效果都經(jīng)過嚴(yán)格模擬，包括3D功能，例如走線厚度和蝕刻，接合線和焊球。布局幾何圖形主要在2.5D中描述，帶有堆疊結(jié)構(gòu)和專用圖元，例如通孔，引腳，走線和鍵合線。該編輯器是完全參數(shù)化的，因此可以輕松更改或設(shè)置走線寬度或厚度，以進(jìn)行掃描，優(yōu)化或?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)（DOE）。3D Layout中的HFSS求解器包括許多專門針對(duì)PCB和封裝結(jié)構(gòu)的功能。這些功能包括針對(duì)分層幾何結(jié)構(gòu)和集成電路元素優(yōu)化的網(wǎng)格技術(shù)，以及用于離散組件建模的S參數(shù)。
為了準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)系統(tǒng)的性能，分析集成環(huán)境中組件和子系統(tǒng)之間的電子交互可能至關(guān)重要。HFSS 3D Layout允許創(chuàng)建PCB組件，連接板，IC和分立組件。使用這種方法，您可以在PCB上拾取3D連接器模型并將其放置，而無需創(chuàng)建原理圖。長(zhǎng)期以來，電氣工程師一直在使用基于原理圖的設(shè)計(jì)條目來將印刷電路板，IC封裝和組件的模型連接在一起。這對(duì)于相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)而言效果很好，但是對(duì)于更大，更復(fù)雜的設(shè)計(jì)而言，則變得乏味且容易出錯(cuò)。通過布局驅(qū)動(dòng)的裝配，可根據(jù)幾何形狀自動(dòng)建立銷連接。創(chuàng)建裝配后，HFSS 3D Layout可以調(diào)用適用于每個(gè)零部件的一系列求解器。
從HFSS 3D Layout界面，您可以訪問擴(kuò)展的求解器列表，其中包括HFSS，SIwave和Planar EM。這允許使用相同的設(shè)計(jì)和幾何圖形，使用快速的SIwave解算進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)，并使用HFSS進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證。
三維組件
ANSYS 3D組件代表了較大仿真的離散子組件，可以輕松地將其重新用于ANSYS HFSS中的電磁仿真。3D組件可以封裝幾何形狀，材料屬性，邊界條件，網(wǎng)格設(shè)置，激勵(lì)和離散參數(shù)控制。它們便于設(shè)計(jì)重用，例如天線，連接器和表面貼裝器件，例如片狀電容器，電感器和分立LTCC濾波器。為了實(shí)現(xiàn)全行業(yè)的協(xié)作，可以使用密碼保護(hù)，文件加密和創(chuàng)建設(shè)置來創(chuàng)建ANSYS 3D組件，以謹(jǐn)慎地控制組件最終用戶可以看到哪些功能。但是，HFSS仿真引擎完全了解仿真中的整個(gè)組件，因此可以提供完全耦合且完整的電磁仿真結(jié)果。
可以將ANSYS 3D組件比作實(shí)現(xiàn)為即插即用模塊的模擬的構(gòu)建塊。由于3D組件提供了完全耦合的電磁分析，因此與僅提供組件在其測(cè)試夾具上的S參數(shù)模型相比，它們具有明顯的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)集成商只是將組件添加到系統(tǒng)上，例如飛機(jī)上天線的3D組件，以模擬天線的安裝性能。他們可以放心，仿真結(jié)果代表了使用ANSYS HFSS仿真的完全耦合且準(zhǔn)確的模型。
分立組件的供應(yīng)商和開發(fā)人員可以在ANSYS HFSS中創(chuàng)建可用于仿真的3D組件，并將其提供給最終用戶，以便他們可以在較大的系統(tǒng)仿真中引用它們。借助通過3D組件進(jìn)行協(xié)作的能力，供應(yīng)商可以為客戶提供可進(jìn)行HFSS仿真的模型，從而使他們?cè)诔晒?shí)現(xiàn)首遍設(shè)計(jì)方面具有寶貴的優(yōu)勢(shì)。
相控陣天線仿真
在 ANSYS HFSS 中，工程師可以通過晶胞模擬功能來模擬具有電磁效應(yīng)的無限和有限相控陣天線，包括互耦合，陣列晶格定義，有限陣列邊緣效應(yīng)，虛擬元素，元素消隱等。候選陣列設(shè)計(jì)可以在光束掃描條件下檢查所有元件的輸入阻抗。相控陣天線可以基于在感興趣的掃描條件下的元素匹配（無源或驅(qū)動(dòng)）遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)方向圖行為，針對(duì)元素，子陣列或完整陣列級(jí)別的性能進(jìn)行優(yōu)化。
無線陣列建模涉及放置在單位單元內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)天線元件。該單元在周壁上包含周期性的邊界條件以反映場(chǎng)，從而創(chuàng)建了無限數(shù)量的元素?？梢杂?jì)算元素掃描阻抗和嵌入的元素輻射圖，包括相互耦合效應(yīng)。該方法對(duì)于預(yù)測(cè)在某些陣列光束轉(zhuǎn)向條件下可能發(fā)生的陣列盲掃描角度特別有用。
有限陣列仿真技術(shù)利用單位單元的域分解來獲得大型有限尺寸陣列的快速解決方案。該技術(shù)可以執(zhí)行完整的陣列分析，以預(yù)測(cè)所有相互耦合，掃描阻抗，元件圖案，陣列圖案和陣列邊緣效應(yīng)。
高性能計(jì)算
ANSYS Electronics HPC支持并行處理，以解決困難和具挑戰(zhàn)性的模型，即具有復(fù)雜幾何細(xì)節(jié)，大型系統(tǒng)和復(fù)雜物理的模型。ANSYS不僅具有簡(jiǎn)單的硬件加速功能，還可以提供突破性的數(shù)值求解器和針對(duì)多核計(jì)算機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化的HPC方法，并具有可擴(kuò)展性以充分利用整個(gè)計(jì)算集群的優(yōu)勢(shì)。無論使用哪種HPC技術(shù)，所需的HPC數(shù)量都僅基于分析中使用的內(nèi)核總數(shù)。
多線程：ANSYS Electronics HPC利用單臺(tái)計(jì)算機(jī)上的多個(gè)內(nèi)核來減少解決方案時(shí)間。多線程技術(shù)加快了初始網(wǎng)格生成，矩陣求解和現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)的速度。
頻譜分解方法：頻譜分解方法（SDM）通過在計(jì)算核心和節(jié)點(diǎn)上并行分布多個(gè)頻率點(diǎn)來加快頻率掃描。您可以與多線程一起使用此方法，以加快單個(gè)頻率點(diǎn)的提取速度，而SDM并行化多頻率點(diǎn)提取。
域分解方法：域分解方法（DDM）通過在多個(gè)核心和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間分布仿真來加速針對(duì)更大，更復(fù)雜的幾何圖形的解決方案。此方法主要用于使用分布式內(nèi)存解決更大的問題。它也可以與多線程和SDM結(jié)合使用，以提高仿真可擴(kuò)展性和吞吐量。
周期性域分解：周期性域分解將DDM應(yīng)用到有限的周期性結(jié)構(gòu)，例如天線陣列或頻率選擇表面。該方法實(shí)際上復(fù)制了周期性結(jié)構(gòu)的單位單元格的幾何形狀和網(wǎng)格，然后將DDM算法應(yīng)用于所得的有限大小數(shù)組，以求解所有元素的字段。仿真能力和速度大大提高。該方法可以與多線程和SDM結(jié)合使用，以進(jìn)一步加速解決方案。
混合域分解方法：混合DDM在包含有限域（FE）和積分方程（IE）域的模型上使用域分解方法。HFSS IE解算器插件使您可以創(chuàng)建可以解決更大的EM問題的HFSS模型。這種方法論結(jié)合了FEM處理復(fù)雜幾何圖形的能力以及MoM用于天線和雷達(dá)橫截面分析的解決方案?；旌螪DM可以與多線程和SDM結(jié)合使用，以提供進(jìn)一步的解決方案加速。
分布式直接矩陣求解器：分布式直接矩陣求解器是一種用于HFSS和HFSS-IE求解器的分布式內(nèi)存并行技術(shù)。矩陣解決方案分布在多個(gè)內(nèi)核或MPI集成計(jì)算機(jī)上。通過增加MPI內(nèi)存訪問權(quán)限，可實(shí)現(xiàn)具有更高可擴(kuò)展性的解決方案；通過增加MPI網(wǎng)絡(luò)核心訪問權(quán)限，可實(shí)現(xiàn)更高精度的直接矩陣求解器解決方案。這些分布式內(nèi)存矩陣求解器可以與多線程和SDM結(jié)合使用，以進(jìn)一步提高仿真吞吐量。
分布式內(nèi)存矩陣求解器：分布式內(nèi)存矩陣求解器（DMM）是用于HFSS的分布式內(nèi)存并行技術(shù)，包括有限元方法（FEM）和積分方程（IE）。矩陣解決方案分布在MPI集成的計(jì)算節(jié)點(diǎn)的多個(gè)核心中。通過增加MPI內(nèi)存訪問和聯(lián)網(wǎng)，可以減少每個(gè)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存占用量，并提高可伸縮性和速度。DMM求解器集成在Auto-HPC技術(shù)中，可以與頻譜分解方法（SDM）正交組合以進(jìn)一步提高仿真吞吐量。
ANSYS RF選項(xiàng)
ANSYS RF選件與HFSS結(jié)合可創(chuàng)建端到端的高性能RF仿真流程。它包括ANSYS EMIT，這是一種獨(dú)特的多保真方法，用于在具有多個(gè)干擾源的復(fù)雜RF環(huán)境中預(yù)測(cè)RF系統(tǒng)性能，并提供快速識(shí)別根本原因RFI問題所需的診斷工具。射頻選件還包括ANSYS電路，其中包括諧波平衡電路仿真，矩量求解器的2.5D平面方法，濾波器合成等。
射頻選件功能
發(fā)射
? 射頻鏈路預(yù)算分析
? 內(nèi)置無線傳播模型
? 射頻共存和天線共存分析
? 自動(dòng)化診斷可快速進(jìn)行根本原因分析
? 快速評(píng)估和比較潛在的緩解措施
? 射頻無線電和組件庫
? 多保真行為無線電模型
? 天線到天線耦合模型
電路分析
? 線性的
? 短暫的
? 具有多個(gè)連續(xù)選項(xiàng)的DC分析
? 多音諧波平衡分析
射擊方式
? 振蕩器分析
自主加驅(qū)動(dòng)源選項(xiàng)
? 時(shí)變?cè)肼暫拖辔辉肼暦治?/span>
? 包絡(luò)分析
多載波調(diào)制支持
? 負(fù)載拉力分析和模型支持
? 周期傳遞函數(shù)分析
? 瞬態(tài)分析
ANSYS SI選項(xiàng)
HFSS與ANSYS SI選件相結(jié)合，是分析信號(hào)完整性，電源完整性和EMI問題的理想之選，這些問題是由于PCB，電子封裝，連接器和其他復(fù)雜電子互連中的時(shí)序和噪聲裕量縮短而引起的。帶有SI選項(xiàng)的HFSS可以處理IC，封裝，連接器和PCB之間從芯片到芯片的現(xiàn)代互連設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。通過將HFSS電磁場(chǎng)仿真功能動(dòng)態(tài)地與功能強(qiáng)大的電路和系統(tǒng)仿真鏈接在一起，工程師可以在構(gòu)建硬件原型之前很早就了解高速電子產(chǎn)品的性能。這種方法使電子公司可以通過縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，降低成本和改善系統(tǒng)性能來獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。ANSYS SI選件將瞬態(tài)電路分析添加到HFSS中。這使工程師能夠創(chuàng)建包括驅(qū)動(dòng)電路和通道在內(nèi)的高速通道設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)電路可以是晶體管級(jí)，基于IBIS的源或理想源。在這些通道上執(zhí)行分析時(shí)，可以從多種分析類型中選擇：
? 線性網(wǎng)絡(luò)分析（包括在HFSS中）
? 瞬態(tài)分析
? QuickEye和VerifEye分析可在高速通道設(shè)計(jì)，浴缸曲線，抖動(dòng)和眼罩中快速生成眼睛
? 支持Spectre和HSPICE功能的蒙特卡洛分析
? 具有自動(dòng)收斂的DC分析
? 與ANSYS Q3D Extractor和ANSYS SIwave的動(dòng)態(tài)鏈接
? IBIS-AMI分析和模型支持
寬帶SPICE模型生成
包含在ANSYS HFSS中的ANSYS全波SPICE提供具有頻變特性的SPICE模型，用于時(shí)域電路分析工具中的準(zhǔn)確時(shí)域仿真。ANSYS全波SPICE模型可以用于ANSYS Nexxim、HSPICE、Spectre RF和MATLAB。全波SPICE可一鍵生成高精度、高帶寬的SPICE模型。該功能讓您能夠在考慮千兆頻率效應(yīng)的情況下，設(shè)計(jì)電子和通信組件。
3 產(chǎn)品概覽
ANSYS電磁場(chǎng) 電路/系統(tǒng)仿真產(chǎn)品
