1 概述

ANSYS HFSS是一款3D电磁（EM）仿真软件，用于设计和仿真高频电子产品，例如天线，天线阵列，RF或微波组件，高速互连，滤波器，连接器，IC封装和印刷电路板。全球工程师使用ANSYS HFSS来设计通信系统，雷达系统，驾驶员辅助系统（ADAS），卫星，物联网（IoT）产品以及其他高速RF和数字中的高频，高速电子产品设备。

HFSS提供基于有限元、积分方程、渐进和混合算法的求解技术，旨在计算各种各样的微波、RF（射频）和高速数字化等问题。

HFSS为部件提供三维全波精度的仿真技术，从而实现RF和高速设计。通过电磁场求解器和强大的谐波平衡和瞬态电路求解器之间的动态链接，HFSS打破了重复设计迭代和冗长物理原型制作的循环。借助HFSS，工程团队在包括天线、相控阵、无源RF/微波组件、高速互连、连接器、IC封装和PCB等广泛应用中持续地实现高端设计。

2 功能特点
高频电磁求解器

ANSYS HFSS拥有一套完善的高频电磁场仿真解决方案，它的算法包括：高精度有限元法 （FEM）、大规模矩量法（MoM）技术、超大规模物理光学（PO）近似法和射线弹跳法（SBR）。

HFSS FEM：三维全波频域电磁场求解器。工程师能够可靠地提取SYZ参数、可视化三维电磁场，并生成组件模型，用于评估信号质量、传输路径损耗、阻抗失配、寄生耦合和远场辐射。

HFSS瞬态：仿真瞬态电磁场的表现，并在诸如时域反射（TDR）、地面穿透雷达（GPR）、静电放电（ESD）、电磁干扰（EMI）和雷击等应用中可视化场或系统响应。该技术是对HFSS频域解决方案的有力补充，让工程师能够在同一网格上和在时域/频域中了解电磁特性。

HFSS SBR+：天线性能仿真软件，可以在大型电气平台上快速准确地预测安装天线的方向性、近场分布和天线间的耦合。它利用近似的射线弹跳法加（SBR+）技术，以令人难以置信的速度和可扩展性，能够计算准确的解。

HFSS IE：HFSS-IE（积分方程法）使用三维矩量法（MoM）技术。它是研究辐射（如天线设计或安装）和散射（如雷达截面积RCS）等问题的理想选择。求解器可以使用多层快速多极子算法（MLFMM）或自适应交叉近似算法（ACA），减少内存需求和求解时间，使得该工具能够用于求解电大尺寸问题。

HFSS混合技术：有限元边界积分（FE-BI）混合技术为HFSS提供了理想的吸收边界条件。通过减少有限元域总体积的共形辐射边界（包括凹性几何形状）设置，显著减小尺寸，实现天线平台集成问题的仿真。
自适应网格生成

采用自适应网格生成技术，您只需指定几何形状、材料属性和期望的输出即可。网格生成过程使用高度稳健的体积网格生成技术，并且具有多线程加速功能，减少了内存使用量，并缩短求解时间。这种成熟的技术消除了构建和精细化有限元网格的复杂性，并使数值分析算法可以适用于您遇到的各种层次问题。

适用于平面层叠结构的Phi Mesh

Phi vs Classic

针对叠层结构模型进行了优化

Ø 从模型中逐层生成三角形面网格，然后沿堆叠（+z）方向扫掠网格以生成四面体网格

Ø 仅适用于叠层结构或“ Z向等厚”的模型。 如IC组件和封装，PCB等。（当定义了 bondwires 或上/下蚀刻因子时，只能使用Classic Mesher）

网格初始化快速

Ø 包括基于波长的网格细化过程和端口网格迭代过程

Ø 初始化网格量与Classic相当

可以剖分电尺寸更大的模型

Ø 与分布式内存求解器和硬件结合使用，可以解决更大和复杂的设计

Phi for MCAD

Ø HFSS 3D中自动检测有效的几何结构

Ø 改进的网格装配功能可以解决混合模型求解问题

HFSS网格融合（Mesh Fusion）

Ø HFSS 2021R1 全新功能(Beta)

Ø 网格融合功能的特征:

· 指定区域网格独立剖分

1. 每个区域采用优的剖分方法和尺度

2. 不同区域网格并行剖分

· 改善多尺度装配模型网格可靠性

1. 电大尺寸平台天线布局

2. 包含IC/封装/连接器的PCB

Ø FEM求解器技术的重大突破

· 网格剖分和FEM求解技术的完美结合

· 精度无妥协，完整考虑跨域耦合

· 提供完美的HFSS黄金标准精度

Mesh Fusion Example: Speed up with Complex Designs

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

优化的用户环境

功能齐全的3D实体建模器和布局界面使您可以在布局设计流程中进行工作，或导入和编辑3D CAD几何图形。

HFSS 3D Modeler：3D界面使您能够建模复杂的3D几何图形或导入CAD几何图形，以仿真高频组件，例如天线，RF /微波组件和生物学设备。您可以提取散射矩阵参数（S，Y，Z参数），可视化3D电磁场（近场和远场），并生成可链接到电路仿真的ANSYS全波SPICE模型。

HFSS 3D Layout：HFSS 3D Layout是针对PCB，IC封装和片上无源元件的分层几何结构的优化接口。它适用于分析PCB和封装的信号完整性，包括全波或辐射效应。应用范围从具有复杂突围区域和参考不佳的传输线的高速串行链路到贴片天线和毫米波电路。工程师可以绘制或导入几何图形以分析电磁行为，显示辐射场，研究阻抗和传播常数，探索S参数或计算插入损耗和回波损耗。

在Layout环境中组装并渲染模型。但是，所有效果都经过严格模拟，包括3D功能，例如走线厚度和蚀刻，接合线和焊球。布局几何图形主要在2.5D中描述，带有堆叠结构和专用图元，例如通孔，引脚，走线和键合线。该编辑器是完全参数化的，因此可以轻松更改或设置走线宽度或厚度，以进行扫描，优化或实验设计（DOE）。3D Layout中的HFSS求解器包括许多专门针对PCB和封装结构的功能。这些功能包括针对分层几何结构和集成电路元素优化的网格技术，以及用于离散组件建模的S参数。

为了准确地预测系统的性能，分析集成环境中组件和子系统之间的电子交互可能至关重要。HFSS 3D Layout允许创建PCB组件，连接板，IC和分立组件。使用这种方法，您可以在PCB上拾取3D连接器模型并将其放置，而无需创建原理图。长期以来，电气工程师一直在使用基于原理图的设计条目来将印刷电路板，IC封装和组件的模型连接在一起。这对于相对简单的设计而言效果很好，但是对于更大，更复杂的设计而言，则变得乏味且容易出错。通过布局驱动的装配，可根据几何形状自动建立销连接。创建装配后，HFSS 3D Layout可以调用适用于每个零部件的一系列求解器。

从HFSS 3D Layout界面，您可以访问扩展的求解器列表，其中包括HFSS，SIwave和Planar EM。这允许使用相同的设计和几何图形，使用快速的SIwave解算进行迭代设计，并使用HFSS进行严格的验证。

三维组件

ANSYS 3D组件代表了较大仿真的离散子组件，可以轻松地将其重新用于ANSYS HFSS中的电磁仿真。3D组件可以封装几何形状，材料属性，边界条件，网格设置，激励和离散参数控制。它们便于设计重用，例如天线，连接器和表面贴装器件，例如片状电容器，电感器和分立LTCC滤波器。为了实现全行业的协作，可以使用密码保护，文件加密和创建设置来创建ANSYS 3D组件，以谨慎地控制组件最终用户可以看到哪些功能。但是，HFSS仿真引擎完全了解仿真中的整个组件，因此可以提供完全耦合且完整的电磁仿真结果。

可以将ANSYS 3D组件比作实现为即插即用模块的模拟的构建块。由于3D组件提供了完全耦合的电磁分析，因此与仅提供组件在其测试夹具上的S参数模型相比，它们具有明显的优势。系统集成商只是将组件添加到系统上，例如飞机上天线的3D组件，以模拟天线的安装性能。他们可以放心，仿真结果代表了使用ANSYS HFSS仿真的完全耦合且准确的模型。

分立组件的供应商和开发人员可以在ANSYS HFSS中创建可用于仿真的3D组件，并将其提供给最终用户，以便他们可以在较大的系统仿真中引用它们。借助通过3D组件进行协作的能力，供应商可以为客户提供可进行HFSS仿真的模型，从而使他们在成功实现首遍设计方面具有宝贵的优势。

相控阵天线仿真

在 ANSYS HFSS 中，工程师可以通过晶胞模拟功能来模拟具有电磁效应的无限和有限相控阵天线，包括互耦合，阵列晶格定义，有限阵列边缘效应，虚拟元素，元素消隐等。候选阵列设计可以在光束扫描条件下检查所有元件的输入阻抗。相控阵天线可以基于在感兴趣的扫描条件下的元素匹配（无源或驱动）远场和近场方向图行为，针对元素，子阵列或完整阵列级别的性能进行优化。

无线阵列建模涉及放置在单位单元内的一个或多个天线元件。该单元在周壁上包含周期性的边界条件以反映场，从而创建了无限数量的元素。可以计算元素扫描阻抗和嵌入的元素辐射图，包括相互耦合效应。该方法对于预测在某些阵列光束转向条件下可能发生的阵列盲扫描角度特别有用。

有限阵列仿真技术利用单位单元的域分解来获得大型有限尺寸阵列的快速解决方案。该技术可以执行完整的阵列分析，以预测所有相互耦合，扫描阻抗，元件图案，阵列图案和阵列边缘效应。

高性能计算

ANSYS Electronics HPC支持并行处理，以解决困难和具挑战性的模型，即具有复杂几何细节，大型系统和复杂物理的模型。ANSYS不仅具有简单的硬件加速功能，还可以提供突破性的数值求解器和针对多核计算机进行了优化的HPC方法，并具有可扩展性以充分利用整个计算集群的优势。无论使用哪种HPC技术，所需的HPC数量都仅基于分析中使用的内核总数。

多线程：ANSYS Electronics HPC利用单台计算机上的多个内核来减少解决方案时间。多线程技术加快了初始网格生成，矩阵求解和现场恢复的速度。

频谱分解方法：频谱分解方法（SDM）通过在计算核心和节点上并行分布多个频率点来加快频率扫描。您可以与多线程一起使用此方法，以加快单个频率点的提取速度，而SDM并行化多频率点提取。

域分解方法：域分解方法（DDM）通过在多个核心和网络节点之间分布仿真来加速针对更大，更复杂的几何图形的解决方案。此方法主要用于使用分布式内存解决更大的问题。它也可以与多线程和SDM结合使用，以提高仿真可扩展性和吞吐量。

周期性域分解：周期性域分解将DDM应用到有限的周期性结构，例如天线阵列或频率选择表面。该方法实际上复制了周期性结构的单位单元格的几何形状和网格，然后将DDM算法应用于所得的有限大小数组，以求解所有元素的字段。仿真能力和速度大大提高。该方法可以与多线程和SDM结合使用，以进一步加速解决方案。

混合域分解方法：混合DDM在包含有限域（FE）和积分方程（IE）域的模型上使用域分解方法。HFSS IE解算器插件使您可以创建可以解决更大的EM问题的HFSS模型。这种方法论结合了FEM处理复杂几何图形的能力以及MoM用于天线和雷达横截面分析的解决方案。混合DDM可以与多线程和SDM结合使用，以提供进一步的解决方案加速。

分布式直接矩阵求解器：分布式直接矩阵求解器是一种用于HFSS和HFSS-IE求解器的分布式内存并行技术。矩阵解决方案分布在多个内核或MPI集成计算机上。通过增加MPI内存访问权限，可实现具有更高可扩展性的解决方案；通过增加MPI网络核心访问权限，可实现更高精度的直接矩阵求解器解决方案。这些分布式内存矩阵求解器可以与多线程和SDM结合使用，以进一步提高仿真吞吐量。

分布式内存矩阵求解器：分布式内存矩阵求解器（DMM）是用于HFSS的分布式内存并行技术，包括有限元方法（FEM）和积分方程（IE）。矩阵解决方案分布在MPI集成的计算节点的多个核心中。通过增加MPI内存访问和联网，可以减少每个节点的内存占用量，并提高可伸缩性和速度。DMM求解器集成在Auto-HPC技术中，可以与频谱分解方法（SDM）正交组合以进一步提高仿真吞吐量。

ANSYS RF选项

ANSYS RF选件与HFSS结合可创建端到端的高性能RF仿真流程。它包括ANSYS EMIT，这是一种独特的多保真方法，用于在具有多个干扰源的复杂RF环境中预测RF系统性能，并提供快速识别根本原因RFI问题所需的诊断工具。射频选件还包括ANSYS电路，其中包括谐波平衡电路仿真，矩量求解器的2.5D平面方法，滤波器合成等。

射频选件功能

发射

Ø 射频链路预算分析

Ø 内置无线传播模型

Ø 射频共存和天线共存分析

Ø 自动化诊断可快速进行根本原因分析

Ø 快速评估和比较潜在的缓解措施

Ø 射频无线电和组件库

Ø 多保真行为无线电模型

Ø 天线到天线耦合模型

电路分析

Ø 线性的

Ø 短暂的

Ø 具有多个连续选项的DC分析

Ø 多音谐波平衡分析

射击方式

Ø 振荡器分析

自主加驱动源选项

Ø 时变噪声和相位噪声分析

Ø 包络分析

多载波调制支持

Ø 负载拉力分析和模型支持

Ø 周期传递函数分析

Ø 瞬态分析

ANSYS SI选项

HFSS与ANSYS SI选件相结合，是分析信号完整性，电源完整性和EMI问题的理想之选，这些问题是由于PCB，电子封装，连接器和其他复杂电子互连中的时序和噪声裕量缩短而引起的。带有SI选项的HFSS可以处理IC，封装，连接器和PCB之间从芯片到芯片的现代互连设计的复杂性。通过将HFSS电磁场仿真功能动态地与功能强大的电路和系统仿真链接在一起，工程师可以在构建硬件原型之前很早就了解高速电子产品的性能。这种方法使电子公司可以通过缩短产品上市时间，降低成本和改善系统性能来获得竞争优势。ANSYS SI选件将瞬态电路分析添加到HFSS中。这使工程师能够创建包括驱动电路和通道在内的高速通道设计。驱动电路可以是晶体管级，基于IBIS的源或理想源。在这些通道上执行分析时，可以从多种分析类型中选择：

Ø 线性网络分析（包括在HFSS中）

Ø 瞬态分析

Ø QuickEye和VerifEye分析可在高速通道设计，浴缸曲线，抖动和眼罩中快速生成眼睛

Ø 支持Spectre和HSPICE功能的蒙特卡洛分析

Ø 具有自动收敛的DC分析

Ø 与ANSYS Q3D Extractor和ANSYS SIwave的动态链接

Ø IBIS-AMI分析和模型支持

宽带SPICE模型生成

包含在ANSYS HFSS中的ANSYS全波SPICE提供具有频变特性的SPICE模型，用于时域电路分析工具中的准确时域仿真。ANSYS全波SPICE模型可以用于ANSYS Nexxim、HSPICE、Spectre RF和MATLAB。全波SPICE可一键生成高精度、高带宽的SPICE模型。该功能让您能够在考虑千兆频率效应的情况下，设计电子和通信组件。

3 产品概览

ANSYS电磁场 电路/系统仿真产品