1 概述

ANSYS HFSS是一款3D電磁（EM）仿真軟件，用于設計和仿真高頻電子產品，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來設計通信系統，雷達系統，駕駛員輔助系統（ADAS），衛星，物聯網（IoT）產品以及其他高速RF和數字中的高頻，高速電子產品設備。

HFSS提供基于有限元、積分方程、漸進和混合算法的求解技術，旨在計算各種各樣的微波、RF（射頻）和高速數字化等問題。

HFSS為部件提供三維全波精度的仿真技術，從而實現RF和高速設計。通過電磁場求解器和強大的諧波平衡和瞬態電路求解器之間的動態鏈接，HFSS打破了重復設計迭代和冗長物理原型制作的循環。借助HFSS，工程團隊在包括天線、相控陣、無源RF/微波組件、高速互連、連接器、IC封裝和PCB等廣泛應用中持續地實現高端設計。

2 功能特點
高頻電磁求解器

ANSYS HFSS擁有一套完善的高頻電磁場仿真解決方案，它的算法包括：高精度有限元法 （FEM）、大規模矩量法（MoM）技術、超大規模物理光學（PO）近似法和射線彈跳法（SBR）。

HFSS FEM：三維全波頻域電磁場求解器。工程師能夠可靠地提取SYZ參數、可視化三維電磁場，并生成組件模型，用于評估信號質量、傳輸路徑損耗、阻抗失配、寄生耦合和遠場輻射。

HFSS瞬態：仿真瞬態電磁場的表現，并在諸如時域反射（TDR）、地面穿透雷達（GPR）、靜電放電（ESD）、電磁干擾（EMI）和雷擊等應用中可視化場或系統響應。該技術是對HFSS頻域解決方案的有力補充，讓工程師能夠在同一網格上和在時域/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上快速準確地預測安裝天線的方向性、近場分布和天線間的耦合。它利用近似的射線彈跳法加（SBR+）技術，以令人難以置信的速度和可擴展性，能夠計算準確的解。

HFSS IE：HFSS-IE（積分方程法）使用三維矩量法（MoM）技術。它是研究輻射（如天線設計或安裝）和散射（如雷達截面積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）或自適應交叉近似算法（ACA），減少內存需求和求解時間，使得該工具能夠用于求解電大尺寸問題。

HFSS混合技術：有限元邊界積分（FE-BI）混合技術為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）設置，顯著減小尺寸，實現天線平臺集成問題的仿真。
自適應網格生成

采用自適應網格生成技術，您只需指定幾何形狀、材料屬性和期望的輸出即可。網格生成過程使用高度穩健的體積網格生成技術，并且具有多線程加速功能，減少了內存使用量，并縮短求解時間。這種成熟的技術消除了構建和精細化有限元網格的復雜性，并使數值分析算法可以適用于您遇到的各種層次問題。

適用于平面層疊結構的Phi Mesh

Phi vs Classic

針對疊層結構模型進行了優化

? 從模型中逐層生成三角形面網格，然后沿堆疊（+z）方向掃掠網格以生成四面體網格

? 僅適用于疊層結構或“ Z向等厚”的模型。 如IC組件和封裝，PCB等。（當定義了 bondwires 或上/下蝕刻因子時，只能使用Classic Mesher）

網格初始化快速

? 包括基于波長的網格細化過程和端口網格迭代過程

? 初始化網格量與Classic相當

可以剖分電尺寸更大的模型

? 與分布式內存求解器和硬件結合使用，可以解決更大和復雜的設計

Phi for MCAD

? HFSS 3D中自動檢測有效的幾何結構

? 改進的網格裝配功能可以解決混合模型求解問題

HFSS網格融合（Mesh Fusion）

? HFSS 2021R1 全新功能(Beta)

? 網格融合功能的特征:

· 指定區域網格獨立剖分

1. 每個區域采用優的剖分方法和尺度

2. 不同區域網格并行剖分

· 改善多尺度裝配模型網格可靠性

1. 電大尺寸平臺天線布局

2. 包含IC/封裝/連接器的PCB

? FEM求解器技術的重大突破

· 網格剖分和FEM求解技術的完美結合

· 精度無妥協，完整考慮跨域耦合

· 提供完美的HFSS黃金標準精度

Mesh Fusion Example: Speed up with Complex Designs

? HFSS 3D Layout: Highly complex PCB with bondwire package and edge mount connector

優化的用戶環境

功能齊全的3D實體建模器和布局界面使您可以在布局設計流程中進行工作，或導入和編輯3D CAD幾何圖形。

HFSS 3D Modeler：3D界面使您能夠建模復雜的3D幾何圖形或導入CAD幾何圖形，以仿真高頻組件，例如天線，RF /微波組件和生物學設備。您可以提取散射矩陣參數（S，Y，Z參數），可視化3D電磁場（近場和遠場），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PCB，IC封裝和片上無源元件的分層幾何結構的優化接口。它適用于分析PCB和封裝的信號完整性，包括全波或輻射效應。應用范圍從具有復雜突圍區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。工程師可以繪制或導入幾何圖形以分析電磁行為，顯示輻射場，研究阻抗和傳播常數，探索S參數或計算插入損耗和回波損耗。

在Layout環境中組裝并渲染模型。但是，所有效果都經過嚴格模擬，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，帶有堆疊結構和專用圖元，例如通孔，引腳，走線和鍵合線。該編輯器是完全參數化的，因此可以輕松更改或設置走線寬度或厚度，以進行掃描，優化或實驗設計（DOE）。3D Layout中的HFSS求解器包括許多專門針對PCB和封裝結構的功能。這些功能包括針對分層幾何結構和集成電路元素優化的網格技術，以及用于離散組件建模的S參數。

為了準確地預測系統的性能，分析集成環境中組件和子系統之間的電子交互可能至關重要。HFSS 3D Layout允許創建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，而無需創建原理圖。長期以來，電氣工程師一直在使用基于原理圖的設計條目來將印刷電路板，IC封裝和組件的模型連接在一起。這對于相對簡單的設計而言效果很好，但是對于更大，更復雜的設計而言，則變得乏味且容易出錯。通過布局驅動的裝配，可根據幾何形狀自動建立銷連接。創建裝配后，HFSS 3D Layout可以調用適用于每個零部件的一系列求解器。

從HFSS 3D Layout界面，您可以訪問擴展的求解器列表，其中包括HFSS，SIwave和Planar EM。這允許使用相同的設計和幾何圖形，使用快速的SIwave解算進行迭代設計，并使用HFSS進行嚴格的驗證。

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，網格設置，激勵和離散參數控制。它們便于設計重用，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。為了實現全行業的協作，可以使用密碼保護，文件加密和創建設置來創建ANSYS 3D組件，以謹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組件，因此可以提供完全耦合且完整的電磁仿真結果。

可以將ANSYS 3D組件比作實現為即插即用模塊的模擬的構建塊。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試夾具上的S參數模型相比，它們具有明顯的優勢。系統集成商只是將組件添加到系統上，例如飛機上天線的3D組件，以模擬天線的安裝性能。他們可以放心，仿真結果代表了使用ANSYS HFSS仿真的完全耦合且準確的模型。

分立組件的供應商和開發人員可以在ANSYS HFSS中創建可用于仿真的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仿真中引用它們。借助通過3D組件進行協作的能力，供應商可以為客戶提供可進行HFSS仿真的模型，從而使他們在成功實現首遍設計方面具有寶貴的優勢。

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，虛擬元素，元素消隱等。候選陣列設計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（無源或驅動）遠場和近場方向圖行為，針對元素，子陣列或完整陣列級別的性能進行優化。

無線陣列建模涉及放置在單位單元內的一個或多個天線元件。該單元在周壁上包含周期性的邊界條件以反映場，從而創建了無限數量的元素?？梢杂嬎阍貟呙枳杩购颓度氲脑剌椛鋱D，包括相互耦合效應。該方法對于預測在某些陣列光束轉向條件下可能發生的陣列盲掃描角度特別有用。

有限陣列仿真技術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。該技術可以執行完整的陣列分析，以預測所有相互耦合，掃描阻抗，元件圖案，陣列圖案和陣列邊緣效應。

高性能計算

ANSYS Electronics HPC支持并行處理，以解決困難和具挑戰性的模型，即具有復雜幾何細節，大型系統和復雜物理的模型。ANSYS不僅具有簡單的硬件加速功能，還可以提供突破性的數值求解器和針對多核計算機進行了優化的HPC方法，并具有可擴展性以充分利用整個計算集群的優勢。無論使用哪種HPC技術，所需的HPC數量都僅基于分析中使用的內核總數。

多線程：ANSYS Electronics HPC利用單臺計算機上的多個內核來減少解決方案時間。多線程技術加快了初始網格生成，矩陣求解和現場恢復的速度。

頻譜分解方法：頻譜分解方法（SDM）通過在計算核心和節點上并行分布多個頻率點來加快頻率掃描。您可以與多線程一起使用此方法，以加快單個頻率點的提取速度，而SDM并行化多頻率點提取。

域分解方法：域分解方法（DDM）通過在多個核心和網絡節點之間分布仿真來加速針對更大，更復雜的幾何圖形的解決方案。此方法主要用于使用分布式內存解決更大的問題。它也可以與多線程和SDM結合使用，以提高仿真可擴展性和吞吐量。

周期性域分解：周期性域分解將DDM應用到有限的周期性結構，例如天線陣列或頻率選擇表面。該方法實際上復制了周期性結構的單位單元格的幾何形狀和網格，然后將DDM算法應用于所得的有限大小數組，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結合使用，以進一步加速解決方案。

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建可以解決更大的EM問題的HFSS模型。這種方法論結合了FEM處理復雜幾何圖形的能力以及MoM用于天線和雷達橫截面分析的解決方案?；旌螪DM可以與多線程和SDM結合使用，以提供進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求解器的分布式內存并行技術。矩陣解決方案分布在多個內核或MPI集成計算機上。通過增加MPI內存訪問權限，可實現具有更高可擴展性的解決方案；通過增加MPI網絡核心訪問權限，可實現更高精度的直接矩陣求解器解決方案。這些分布式內存矩陣求解器可以與多線程和SDM結合使用，以進一步提高仿真吞吐量。

分布式內存矩陣求解器：分布式內存矩陣求解器（DMM）是用于HFSS的分布式內存并行技術，包括有限元方法（FEM）和積分方程（IE）。矩陣解決方案分布在MPI集成的計算節點的多個核心中。通過增加MPI內存訪問和聯網，可以減少每個節點的內存占用量，并提高可伸縮性和速度。DMM求解器集成在Auto-HPC技術中，可以與頻譜分解方法（SDM）正交組合以進一步提高仿真吞吐量。

ANSYS RF選項

ANSYS RF選件與HFSS結合可創建端到端的高性能RF仿真流程。它包括ANSYS EMIT，這是一種獨特的多保真方法，用于在具有多個干擾源的復雜RF環境中預測RF系統性能，并提供快速識別根本原因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

發射

? 射頻鏈路預算分析

? 內置無線傳播模型

? 射頻共存和天線共存分析

? 自動化診斷可快速進行根本原因分析

? 快速評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

? 具有多個連續選項的DC分析

? 多音諧波平衡分析

射擊方式

? 振蕩器分析

自主加驅動源選項

? 時變噪聲和相位噪聲分析

? 包絡分析

多載波調制支持

? 負載拉力分析和模型支持

? 周期傳遞函數分析

? 瞬態分析

ANSYS SI選項

HFSS與ANSYS SI選件相結合，是分析信號完整性，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，連接器和其他復雜電子互連中的時序和噪聲裕量縮短而引起的。帶有SI選項的HFSS可以處理IC，封裝，連接器和PCB之間從芯片到芯片的現代互連設計的復雜性。通過將HFSS電磁場仿真功能動態地與功能強大的電路和系統仿真鏈接在一起，工程師可以在構建硬件原型之前很早就了解高速電子產品的性能。這種方法使電子公司可以通過縮短產品上市時間，降低成本和改善系統性能來獲得競爭優勢。ANSYS SI選件將瞬態電路分析添加到HFSS中。這使工程師能夠創建包括驅動電路和通道在內的高速通道設計。驅動電路可以是晶體管級，基于IBIS的源或理想源。在這些通道上執行分析時，可以從多種分析類型中選擇：

? 線性網絡分析（包括在HFSS中）

? 瞬態分析

? QuickEye和VerifEye分析可在高速通道設計，浴缸曲線，抖動和眼罩中快速生成眼睛

? 支持Spectre和HSPICE功能的蒙特卡洛分析

? 具有自動收斂的DC分析

? 與ANSYS Q3D Extractor和ANSYS SIwave的動態鏈接

? 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，用于時域電路分析工具中的準確時域仿真。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的情況下，設計電子和通信組件。

3 產品概覽

ANSYS電磁場 電路/系統仿真產品