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HFSS算法及應用場景介紹

2019-08-27
關(guān)鍵詞: HFSS算法 應用場景

  相信每一位使用過HFSS的工程師都有一個疑問或者曾經(jīng)有一個疑問:我怎么才能使用HFSS計算的又快又準?對使用者而言,,每個工程師遇到的工程問題不一樣,工程經(jīng)驗不能夠直接復制,;對軟件而言,,隨著HFSS版本的更新,HFSS算法越來越多,,針對不同的應用場景對應不同的算法,。因此,只有實際工程問題切合合適的算法,才能做到速度和精度的平衡,。工程師在了解軟件算法的基礎(chǔ)上,,便能夠針對自己的需求進行很好的算法選擇。

  由于當今世界計算機的飛速發(fā)展,,讓計算電磁學這門學科也有了很大的發(fā)展,,如圖1所示,從大的方面來看,,我們將計算電磁學分為精確的全波算法和高頻近似算法,,在每一類下面又分了很多種算法,結(jié)合到HFSS軟件,,通過ANSYS公司40余年來堅持不懈的研發(fā)和戰(zhàn)略性的收購,,到目前為止,HFSS有FEM,、IE(MoM),、DGTD、PO,、SBR+等算法,,本文會針對每種算法和應用場景逐一介紹,相信你看完這篇文章應該對HFSS算法和應用場景會有更深的認識,。

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  圖1  計算電磁學

  算法介紹

  全波算法-有限元算法( FEM)

  有限元算法是ANSYS HFSS的核心算法,,已有二十多年的商用歷史,也是目前業(yè)界最成熟穩(wěn)定的三維電磁場求解器,,有限元算法的優(yōu)點是具有極好的結(jié)構(gòu)適應性和材料適應性,,充分考慮材料特性:趨膚效應、介質(zhì)損耗,、頻變材料,;是精確求解復雜材料復雜結(jié)構(gòu)問題的最佳利器,有限元算法采用四面體網(wǎng)格,,對仿真物體能夠很好的進行還原,。

  FEM算法的支配方程見下圖:

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  圖2  FEM算法支配方程

  HFSS有限元算法在網(wǎng)格劃分方面能夠支持自適應網(wǎng)格剖分、網(wǎng)格加密,、曲線型網(wǎng)格,,在求解時支持切向矢量基函數(shù)、混合階基函數(shù)和直接法,、迭代法,、區(qū)域分解法的強大的矩陣求解技術(shù)。

  在應用領(lǐng)域,,HFSS主要針對復雜結(jié)構(gòu)進行求解,,尤其是對于一些內(nèi)部問題的求解,,比高速信號完整性分析,陣列天線設(shè)計,,腔體問題及電磁兼容等應用場景,,非常適合有限元算法求解。

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  圖3  FEM算法應用場景

  有限元算法結(jié)合ANSYS公司的HPC模塊,,ANSYS HFSS有限元算法可以進行電大尺寸物體的計算,,大幅度提升仿真工程師的工作效率。針對寬帶問題,,F(xiàn)EM推出了寬帶自適應網(wǎng)格剖分,,大大提升了仿真精度。

  全波算法-積分方程算法( IE)

  積分方程算法基于麥克斯維方程的積分形式,,同時也基于格林函數(shù),,所以可自動滿足輻射邊界條件,對于簡單模型及材料的輻射問題,,具有很大的優(yōu)勢,,但原始的積分方程法計算量太大,很難用于實際的數(shù)值計算中,,針對此問題,, HFSS 中的 IE算法提供了兩種加速算法,一種是 ACA 加速,,一種是 MLFMM,,分布針對不同的應用類型。ACA 方法基于數(shù)值層面的加速技術(shù),,具有更好的普適性,,但效率相比 MLFMM 稍差, MLFMM 算法基于網(wǎng)格層面的加速,,對金屬材料,,松散結(jié)構(gòu),具有更高的效率,。

  IE算法的支配方程見下圖:

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  圖4  IE算法支配方程

  IE算法是三維矩量法積分方程技術(shù),,支持三角形網(wǎng)格剖分。IE算法不需要像FEM算法一樣定義輻射邊界條件,,在HFSS中主要用于高效求解電大尺寸,、開放結(jié)構(gòu)問題。與HFSS FEM算法一樣,,支持自適應網(wǎng)格技術(shù),,也可以高精度、高效率解決客戶問題,,同時支持將FEM的場源鏈接到IE中進行求解。HFSS-IE算法對金屬結(jié)構(gòu)具有很高的適應性,其主要應用領(lǐng)域天線設(shè)計,、天線布局,、 RCS、 EMI/EMC仿真等方向,。

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  圖5  HFSS-IE天線布局仿真

  高頻近似算法-PO算法

  FEM算法和IE算法是精確的全波算法,,在超大電尺寸問題上,使用精確全波算法會造成效率的降低,。針對超大電尺寸問題,,ANSYS推出PO(物理光學法)算法,PO 算法屬于高頻算法,,非常適合求解此類問題,,在適合其求解的問題中,具有非常好的效率優(yōu)勢,。

  PO算法主要原理為射線照射區(qū)域產(chǎn)生感應電流,,而且在陰影區(qū)域設(shè)置為零電流,不考慮射線追跡或多次反射,,以入射波作為激勵源,,將平面波或鏈接FEM(IE)的場數(shù)據(jù)作為饋源。但由于不考慮射線的多次反射和繞射等現(xiàn)象,,一般針對物理尺寸超大,,結(jié)構(gòu)均勻的物體電磁場計算,在滿足精度的要求,,相比全波算法效率明顯提高,。比如大平臺上的天線布局,大型反射面天線等等,。

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  圖6  HFSS-PO天線布局仿真

  高頻近似算法-SBR+算法

  PO算法可以解決超大電尺寸問題的計算,,但由于未考慮到多次反射等物理物體,主要用于結(jié)構(gòu)均勻物理的電磁場計算,。針對復雜結(jié)構(gòu)且超大電尺寸問題,,ANSYS通過收購Delcross公司(Savant軟件)引入了SBR+算法, SBR+是在SBR算法(天線發(fā)射出射線,,在表面“繪制” PO電流)的基礎(chǔ)上考慮了爬行波射線(沿著表面追跡射線),、物理繞射理論PTD(修正邊緣處的PO電流)、一致性繞射理論UTD(沿著邊緣發(fā)射衍射射線,,繪制陰影區(qū)域的電流),,因此SBR+算法是高頻射線方法,具有非常高效的速度,,同時具有非常好的精度,,在大型平臺的天線布局中效果非常好,。

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  圖7  SBR與SBR+算法對比

  SBR+支持從FEM、IE中導入遠場輻射方向圖或者電流源,,也支持導入相應的測試數(shù)據(jù),,SBR+算法主要用于天線安裝分析,,支持多核、GPU等并行求解方式并且大多數(shù)任務(wù)可在低于8 GB內(nèi)存下完成。

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  圖8  FEM算法與SBR+算法仿真對比

  混合算法( FEBI,, IE-Region,,PO-Region,,SBR+ Region)

  前面對頻率內(nèi)的各種算法做了介紹并說明了各種算法應用的場景,,很多時候碰到的工程問題既包括復雜結(jié)構(gòu)物理也包括超大尺寸物理,如新能源汽車上的天線布局問題,,對仿真而言,,最好的精度是用全波算法求解,最快的速度是采用近似算求解,,針對該問題,,ANSYS公司將FEM算法、 IE 算法,、PO 算法,、SBR+算法等融合起來,推出混合算法,。在一個應用案例中,,采用不同算法的優(yōu)點而回避不同算法的缺點,可極大限度的提高算法的效率,,以及成為頻域內(nèi)解決大型復雜問題的必備算法,。

  HFSS中FEM與IE可以通過IE Region與FEBI邊界進行混合求解,F(xiàn)EM與PO,、SBR+算法可以通過添加PO Region及SBR+ Region進行混合,,混合算法的使用擴大了HFSS的使用范圍。

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  圖9  FEM與IE混合求解與FEM對比

  時域算法-transient算法

  HFSS時域求解是基于間斷伽略金法(discontinuous Galerkin method, DGTD)的三維全波電磁場仿真求解器,,采用基于四面體有限元技術(shù),,能得到和HFSS頻域求解器一樣的自適應網(wǎng)格剖分精度,該技術(shù)使得HFSS的求精精度成為電磁場行業(yè)標準,。這項技術(shù)完善了HFSS的頻域求解器技術(shù),,幫助工程師對更加深入詳細了解其所設(shè)計器件的電磁性能。

  Transient算法支配方程見下圖:

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  圖10  Transient算法支配方程

  采用HFSS-Transient算法,,工程師可利用短脈沖激勵對探地雷達,、靜電放電、電磁干擾,、雷擊和等應用問題開展研究,,還包括時域反射阻抗以及短時激勵下的瞬態(tài)場顯示也可以借助它來完成,。

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  圖11  Transient算法應用場景

  諧振分析-Eigenmode算法

  諧振特性是每個結(jié)構(gòu)都存在固有的電磁諧振,諧振的模式,、頻率和品質(zhì)因子,,與其結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān),,這些諧振既可能是干擾源的放大器,,也可能是敏感電路的噪聲接收器。諧振會導致信號完整性,、電源完整性和電磁兼容問題,,因而了解諧振對加強設(shè)計可靠性很有幫助。

  Eigenmode算法支配方程見下圖:

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  圖12  Eigenmode算法支配方程

  在HFSS中,,使用eigenmode算法可計算三維結(jié)構(gòu)諧振模式,,并可呈現(xiàn)圖形化空間的諧振電壓波動,分析結(jié)構(gòu)的固有諧振特性,。依據(jù)諧振分析的結(jié)果,,指導機箱內(nèi)設(shè)備布局和PCB層疊布局,改善電磁兼容特性,。

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  圖13  Eigenmode算法應用場景

  總結(jié)

  HFSS里面有各種不同的算法,,有全波算法、近似算法以及時域算法,,工程師可以格局需要選擇不同算法(最高的精度和最高的效率),。首先針對頻域算法,使用范圍見圖14,,通常FEM算法和IE算法非常適合于中小尺寸問題,,對大型問題,F(xiàn)EM/IE運行時間/內(nèi)存需求非常巨大,;PO方法適合解決超大電尺寸問題,,但對問題復雜度有限制,通常通常不能提供客戶所期望的精度,,但對于均勻物體是一個很好的選擇,;SBR+算法適合解決超大電尺寸問題,對復雜結(jié)構(gòu)也能夠提供很好的精度和速度,;針對既有電小尺寸復雜結(jié)構(gòu)計算問題,,又有電大尺寸布局計算問題,混合算法是一個很好的選擇,。Transient算法適合解決與時間相關(guān)的電磁場問題,,如ESD、TDR等,;Eigenmode算法專門針對諧振仿真,。

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  圖14  HFSS 頻域算法選擇


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