ANSYS HFSS 高频电磁场仿真
产品概述
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
●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。
●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。
●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。
●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。
●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。
●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。
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。
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。
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。
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。
