ANSYS HFSS核心技术解析

1、混合算法技术

HFSS软件提供了成熟的有限元算法FEM、积分方程法IE、光学算法SBR(含PO)等。充分利用各个算法的优势，在同一个问题中，针对不同的部分选择最合适的算法求解，这就是混合算法技术。

• 区域分解法(DDM)

区域分解法，即Domain Decomposition Method，可以根据计算的网格规模自动进行分域求解；不同的算法类型分配不同的域，每种算法类型的域，可以根据网格规模，再次划分为一系列的子域，具体的子域数量将根据可调用的CPU数量、网格数量等自动划分。区域分解法，是混合算法技术得以实现的根本源动力，也是有限大阵列仿真与3DComponent阵列仿真中的关键技术。

• 有限大阵列仿真-Finite Array+DDM(FA-DDM)

有限大阵列仿真功能，充分利用了阵列天线的周期重复性特点，借用周期边界的单元模型网格，快速生成周期阵列的全网格模型，然后以DDM域分解的并行计算，快速得到整个阵列的结果。

• 三维部件阵列仿真-3DComponentArray+DDM

三维部件阵列仿真，是一种充分利用了有限大阵列(Finite Array)仿真的流程，来实现非周期阵列的快速建模与仿真的方法。三维部件阵列同样需要对每一个不同的三维部件独立求解，直至收敛到最后一步。然后汇总所有单元的最终网格以DDM域分解技术，快速得到整个阵列的结果。三维部件阵列仿真与有限大阵列仿真的更大不同，在于单元模型的个数、网格模型的获取、非周期阵列是否可使用等几个方面。在求解结果上，同样考虑各种单元耦合效应与边缘效应，获取高效高精度的仿真结果。

• FE-BI与Region边界

FE-BI，全称Finite Element Boundary Integral，译为有限单元-边界积分。FE-BI边界用于设置空气盒子，作为辐射边界使用，与常用的Radiation边界、PML边界类似。FE-BI边界、lE-Region/SBR-Region/PO-Region，都是混合算法的典型应用。FE-BI用于设置空气盒子；Region边界用于设置其他独立的金属体、材料等效的面、介质体等。模型里可以有多个FE-BI求解区域，也可以有多个Region求解区域，它们都需要DDM域分解法来进行求解。

2、高性能计算技术

高性能计算(High Performance Computing)是工程仿真软件的并行加速计算技术的总称。包括传统的多线程共享内存式、分布式矩阵求解，以及当前最高效的DDM域分解技术、GPU加速技术、谱区域分解技术、分布式参数扫描等。

• 谱区域分解法

通过谱区域分解法SDM，可以将宽带频率扫描点，并行发布到一定数目的CPU上，进行多频率点的并行计算。这种独特的方法，显著缩短了获得高精度宽带扫描结果的仿真时间。

• 分布式参数求解

分布式参数求解，指的是参数扫描的多发式并行计算。可根据软件能调用的CPU资源，自动选择多个预先定义的参数设计组合，分配到不同的CPU、计算机上进行并行的求解，以完成模型的几何尺寸、材料、边界和激励等条件变化时的设计探索。

3、周期结构仿真功能

HFSS中的Floquet端口专门用于求解周期性结构，如平面相控阵和频率选择性表面结构。Floquet端口的主要优势为入射波扫描的求解设置简单，速度比定义入射波激励的方式有大幅提升，尤其在有宽带扫频的情况下，求解速度提升10倍以上。

4、动态链接功能实现先进的协同设计流程 场源

HFSS的不同设计和项目之间可进行场到场动态链接。这样就能够把一个复杂的系统拆分成部件进行仿真，典型的应用如反射面天线、天线与天线罩仿真、复杂系统的EMI/EMC等。

5、强大的后处理功能

HFSS能够快速精确地求解并观察设计者所需的各种结果，包括矩阵参数、电磁场分布、远场和近场辐射特性、EMI/EMC等。无需预先设置或重新求解，通过改变端口输入信号的功率和相位，方便地得到结构内部的场强、多端口天线的辐射特性变化等各种结果，强大的场计算器功能，可以进一步地获得所需的各种结果，如局部电压、电流、导体损耗、介质损耗等。

• 端口参数后处理
• 二维本征模求解器计算端口模式和 阻抗 ，
• S-,Y-,Z-参数(单端、差分、去内嵌和重新归一化)

场后处理

• 远/近场辐射特性(二维、三维作图，增益、波瓣宽度等)
• 求解空间内任意表面或空间内的电磁场分布的三维静态及动画作图，包括矢量、幅值及流线作图
• 有载本征谐振频率及谐振模式场分布
• 手机或生物医疗常用的SAR计算包括矢量、幅值及流线作图
• 单/双站RCS
• 辐射测试(三米法、十米法)

场计算器后处理

• 后处理增强功能(ACT)
• Radar Pre/Post

6、全面的深入优化技术

• 伴随求导技术
• 伴随求导技术通过计算S参数以及远场数据对结构、材料和边界条件改变的偏导数，直观为设计者揭示设计敏感度和加工误差对器件性能的影响。伴随求导技术提供参数实时调谐功能，实现对设计的S参数以及方向图的快速优化。
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• 自动优化技术
• HFSS优化功能是一个智能化的参数扫描和优化设计引擎，包含十多种先进的优化算法。设计者通过简单易用的界面完成参数化扫描、优化、敏感度分析及统计分析。

• DX优化技术
• HFSS集成了Ansys DesignXplorer软件的实验设计(DoE)和响应面(ResponseSurface)分析技术，设计者可直接在HFSS中进行设计空间探索以及构建响应面优化，也可将数据传递到DesignXplorer中完成多学科协同设计和优化。
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• optiSLang优化技术
• optiSLang是Ansys全新的仿真流程管理和多学科优化工具，optiSLang具有先进的更佳预测元模型(MoP)技术以及参数敏感度分析技术。HFSS的电磁场设计通过optiSLang的参数筛选以及智能优化技术可以实现产品更高效的优化和鲁棒性设计。

7、一体化的电热耦合设计环境

从19版本开始，Ansys电子桌面中集成了IcePak求解器，形成了新一代的一体化电热耦合设计环境AEDT-Icepak，更注重电和热的耦合，更适合电工程师的操作习惯，在电的设计阶段就可以考虑一部分热设计的问题，缩短总体研发流程。

8、跨学科的多物理场耦合仿真能力

HFSS软件可与Ansys的其他物理场仿真软件，通过统一的Workbench环境，形成完整的多物理场耦合仿真能力平台。利用HFSS仿真电磁场，无损链接至Ansys Mechanical或Fluent/CFX/lcepack中进行热/应力仿真，将热负载以及任何外部负载导入结构求解器来计算形变。可实现完全的双向耦合，通过HFSS求解基于热仿真结果的具有温变特性的电气性能，将结构分析的形变网格结果返回HFSS做进一步分析，基于仿真流程进行迭代，直到达到稳态特性。此外，可利用DesignXplorer, optiSLang等工具实现跨学科的设计空间探索功能，大幅提升仿真流程的顺畅度和效率，提升产品设计的潜力挖掘能力。

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