HFSS主要算法及其典型应用案例剖析

1. 有限元算法（FEM）

有限元算法的优点是具有极好的结构适应性和材料适应性，是精确求解复杂材料复杂结构问题的最佳利器，尤其是对于一些内部问题的求解，比如机舱内环境分析，暗室内天线耦合，腔体问题等应用场景，非常适合有限元算法求解。

   案例1：机舱内电磁环境分析
 

   案例2：暗室内测试天线之间互耦计算
 

2. 积分方程算法（IE）

积分方程算法基于麦克斯维方程的积分形式，基于格林函数，所以可自动满足辐射边界条件，对于简单模型及材料的辐射问题，具有很大的优势。HFSS中的IE算法具有两种加速算法，一种是ACA加速，一种是MLFMM，分布针对不同的应用类型。ACA方法基于数值层面的加速技术，具有更好的普适性，但效率相比MLFMM稍差，MLFMM算法基于网格层面的加速，对金属材料，松散结构，具有更高的效率。

   案例3： IE计算的车体天线布局问题
 

   案例4：IE求解的直升机天线布局问题
 

   案例5：IE求解的反射面天线问题
 

3. 高频算法（SBR+ Solver）

• ² PO求解大问题

PO算法属于高频算法，非常适合求解大型问题，在适合其求解的问题中，具有非常好的效率优势。比如大平台上的天线布局，大型反射面天线等等。

SBR算法是高频射线方法，考虑了GO，GTD，UTD，爬行波的影响在内，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。

   案例6：PO计算飞机的RCS问题
 

   案例7： PO计算导弹的RCS问题
 

• ² SBR算法（Savant）求解大型天线布局问题

Savant可以计算电大载体上的天线远场、近场以及天线与天线间的耦合作用。

   案例8：SBR算法求解舰船上天线布局问题
 

2019R3版本中，将SBR+算法集成在AEDT环境下的功能，进一步成熟和完善。

• ² 加入了爬行波求解功能，使得对于曲面模型求解精度极大的提升
• ² 加入了有限大阵列求解结果导入功能，可方便的与HFSS有限大阵列计算功能形成流程的流畅化集成，对阵列天线客户的场景级分析，极大的提升效率。

SBR Solver主要面向以下类型的典型应用场景：

• ² 电大载体环境的天线布局分析
• ² 电大目标的目标特性分析
• ² 电磁场景分析（ADAS，5G电磁覆盖）
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4. 混合算法（FEBI，IE-Region）

将有限元算法，IE算法，PO算法等融合在一个应用案例中，混合采用，将结合各自的优点而回避各自的缺点，可极大限度的提高算法的效率，以及成为解决大型复杂问题的必备算法。

   案例9： FEM/IE混合求解大型基站天线阵列问题
 

   案例10：FEM/IE混合算法结合DDM域分解技术，求解多反射面天线系统
 

   案例11：FEM/IE/PO混合算法求解带FSS副反射面的大型卡塞格伦天线系统² 工作频段：K 波段² 馈源天线：圆极化波纹喇叭馈源² 主反射面：直径2700mm，>200波长² 次反射面：直径530mm，>40波长，FSS边框宽仅0.3mm
 

   案例12：FEM/IE混合算法求解带天线罩的大型喇叭天线问题
 

使用FEBI边界后获得4.1倍的提速并节省75%的内存

5. 域分解算法（DDM，FA-DDM）

5.1 大尺寸域分解算法（DDM）

DDM算法是将FEM算法求解能力扩展到分布式内存系统上的基石，基于DDM，使得FEM算法能够求解的规模更大，能求解的问题复杂度更高。

   案例13：DDM算法，纯FEM计算反射面天线问题
 

   案例14：DDM算法计算车体内移动电话辐射情况
 

5.2 有限大阵列域分解算法（FA-DDM）

FA-DDM算法是专门针对阵列天线等周期结构仿真的算法，利用了DDM的超线性加速特点，又利用了主从边界的周期性特点，通过精心设计，将大规模阵列问题通过DDM分散到多个节点上完成计算，得到精确结果。FA-DDM具有极好的计算效率和灵活性，已经成为阵列问题不可或缺的仿真算法。目前，只有HFSS软件具有该算法。

   案例15: a)雪花型阵列天线
 

   案例15：b)雪花型阵列电场分布图
 

5.3 基于三维部件的域分解算法（3D-Comp DDM）

有限大阵列技术（FA-DDM）是HFSS软件在大型阵列天线领域的先进技术，凭借其灵活的建模方式，快速的网格复用方法，以及快速的高性能域分解算法技术， 实现了精确的大型阵列单元阵面的求解，解决周期性的平面阵列方面的难题。

但是，对于非周期的，多周期的复杂阵列，怎么办呢？

• ² 2019R3版本具有这方面的突破更新，利用三维部件技术，以及阵列单元的虚拟建模和定义方式，加上DDM的快速实际阵列求解功能，实现了技术上的重大突破，这就是三维部件域分解算法技术（3D-Comp DDM）。
• ² 该方法解决多种单元类型的，多种周期或非周期的阵列求解，达到了灵活性，适应性方面的巨大突破。
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     案例16（a）：不同单元的定义与阵列排布的定义和显示
   
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     案例16（b）：阵列蒙版定义功能与计算结果对比
   

6. 时域算法（Transient）

HFSS软件具有间断伽略金时域算法和时域有限元两种时域算法，用于求解纯瞬态问题，如ESD，雷击，EMP等问题。

   案例16：探地雷达应用仿真
 

   案例17：雷击在坦克内天线端口上的感应波形仿真
 

7. 特征模算法（CMA）

Characteristic Modes Analysis（CMA）技术用以计算结构的特征模，得出模式数目、特征角和近场远场、 模式权重系数modal significance，基于结构的基本谐振行为，在决定激励源的位置之前就能进行性能分析，该方法有助于选择天线类型以及布局位置，例如在MIMO应用中各模式之间固有的正交特性可以被用来提高天线单元之间的隔离度。

   CMA计算过程
 

(1) PIFA天线设计

对比有无PIFA时的模式，没有PIFA天线分支，特征值大于0因此呈容性， 通过增加PIF分支形成一个LC系统。

(2) 优化天线布局

频率范围1-100 MHz的汽车应用，使用CMA可以预测最佳方向图，确定天线位置以激发特定模式获得所期望的方向图，如下图所示30MHz时汽车本身的谐振特性。

8. 本征模求解器（Eigenmode solver）

本征模求解器主要用于谐振问题的设计分析，可以用于计算谐振结构的谐振频率和谐振频率处对应的场，也可以用于计算谐振腔体的无载Q值。

在EMC设计中，本征模求解通常被用来求解结构的谐振特性，用于指导器件布局，避开敏感区域和敏感频点。

应用本征模求解时，需要注意以下几方面。

1) 不需要设置激励方式。

2) 不能定义辐射边界条件。

3) 不能进行扫频分析。

4) 不能包含铁氧体材料。

5) 只有场解结果，没有S参数求解结果。

   案例18：坦克谐振分析
 

9. 微放电求解器（Multi-paction Solver）

HFSS 2019 R2版本发布中，新增了一项新的功能：微放电仿真（Multi paction solver）。太空环境下，射频击穿效应导致设备失效。微放电是一种电子共振现象，可用模型和方程来解释，HFSS软件具备仿真识别微放电部件的能力。

由于通过测量来检测微放电非常困难且昂贵，对于任务关键型空间项目，不允许失败，而通过仿真的方式，通过改进设计，可抑制微放电效应，提高部件安全可靠性。

   微放电原理
 

   微放电动画
 

   案例19: 平行平板波导的微放电特性

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