Ansys HFSS新突破：网格融合与系统级全耦合仿真

写在前面

随着机箱中的电磁密度不断增加，以及工作频带的扩大，设计师不得不重视电磁能量的辐射与耦合所带来的问题。不同设计单元之间的干扰可能导致耦合噪声引发故障和/或由于电气过载造成的产品可靠性降低。

虽然传统的经验法则在设计印刷电路板上的高速信号非常有效，例如接地层定位、差分对阻抗匹配、布线屏蔽等，但当前设计的复杂性要求开展更全面的电磁分析。除了（主板、子板和夹层）PCB以外，还需要结合无源组件、连接器和（柔性）线缆的详细电气模型，然后仿真系统在适当带宽的信号能量激励下的电磁响应。

幸运的是，多年来在构建和仿真全波电磁系统模型方面的能力已经取得长足的发展。最近，我有幸与Ansys首席产品经理Matt Commens探讨了其中一些与HFSS工具套件有关的进展。

用于电子系统的全波计算电磁仿真工具（例如HFSS），试图为一般3D环境求解麦克斯韦方程组。该系统放置在包围电磁分析域的盒中，这个体积和其中的电子设备被划分成合适的“网格”，由此创建出大量的（四面体）3D网格单元，其中的密集网格与单独组件的详细共形几何结构相关。每个网格单元顶点处的电场与磁场（以及表面上相应的电流）用“基”函数的组合来表示，以求解给定激励频率下三维麦克斯韦方程组（微分形式）的近似解。

为网格划分生成大型矩阵，该矩阵通常是极为稀疏的。指定激励和边界条件，然后求解所有基函数的系数，从而为完整系统的电磁行为提供高度准确的近似值，对于系统中的所有激励，只需求解一个矩阵。值得注意的是，这是一个全耦合电磁分析，通过离散体积整合了材料属性和3D几何结构。

为什么电磁耦合如此重要？参考一下上面所示的简单示例，其显示了电路板上微带线的三个例子，长度完全相同，但具有不同的蜿蜒属性。由于线路的不同部分之间存在电磁自耦合，因此每个部分的频率响应（例如插入损耗）显著不同，需要对弯曲分段的线路构建离散化网格，才能准确计算其行为。

现在再来看下面的示例，其详细的场分布要更加复杂，Matt将这个电子系统视为设计师试图为这种类型的模型分析电磁行为的代表性示例。

Matt笑着说道：“当我在20多年前刚开始使用HFSS的时候，我们解决的系统可能有10K-40K矩阵未知数。而现在，我们通常会求解超过100M个矩阵单元的模型，电磁分析的持续进步已经大大丰富了可以仿真的设计类型。”  Matt详细讲述了其中的一些进展。

计算电磁学

为更好的利用HPC资源，在HFSS中融合了多项算法增强功能。

• 跨分布系统进行矩阵划分和求解 独特的域分解算法对系统级模型进行划分（无需在域接口处添加简化的假设）
• 将云计算资源用于网格生成和矩阵求解器
• 跨CPU核心和分布式节点进行高效频率扫描分析 宽带频率响应使用内插值扫描；在计算出的S参数响应快速改变的范围内选择额外采样点
• 模型参数变化敏感度分析（“解析求导”）

最后一个特性值得特别强调。Matt指出：“HFSS支持虚拟的网格扰动方法开展变量分析，设计师可以在系统模型中识别一组参数，并且很容易查看电磁分析结果如何随制造误差的变化而改变，只需少许仿真时间，比在不同的参数样本和具有小尺寸变化的独特网格上运行完整仿真要高效得多。”  这项功能提供的深入洞察有助于设计师专注于成本与制造容差之间的权衡。

强化网格生成算法

Matt还指出HFSS最近与网格生成有关的三项关键强化功能。

01自适应网格划分

上文描述了3D网格对于最终精度的重要性。求解电场的初始网格-电场梯度的计算可以表明局部网格细化的适当位置（表示局部场的基函数也可以更新）。求解新的网格，并迭代此过程，直至连续通过的次数远小于收敛标准。HFSS最近扩展了这项功能，在用户指定的范围内使用多个频率解来调整每次迭代的网格，从而当宽带频谱能量存在时可以提高结果精度。

02  3D组件

过去，设计师很难构建一个综合（“端到端”）模型，即便是单个长距离、高速信号接口。从堆叠生成PCB迹线S参数模型相对简单，但是从厂商获得连接器和线缆的模型通常难度较大。于是，Ansys意识到要实现链路仿真和最终的系统级分析，需要一种新颖的方法，并研发出“3D组件”方法：

• 厂商通过工具生成用于发布的加密模型（无需施加特定激励和边界条件）
• 这些“内在”模型可直接用于仿真 HFSS可以完全访问该模型，但厂商能够保护他们的专有IP
• 通过用户定义的参数值，可以方便地支持模型重复使用（见下图）

03  HFSS Mesh Fusion

电子系统的电磁分析步骤包括：

• 材料规范
• 定义边界条件和激励
• 确定需要的频率范围
• 网格生成
• 跨频率范围进行矩阵求解/仿真
• 结果后处理

网格生成是最终结果精度的关键。Matt表示：“IC封装、连接器、PCB和底盘的最佳网格划分方法各不相同，不过，它们都涉及耦合场，在局部使用合适的网格技术至关重要” 。自适应网格细化与3D组件模型的结合有助于Ansys在整个系统中重点运用最适合MCAD几何结构的特定网格划分方法。

下面是上述复杂示例的网格和电磁仿真结果。

传统的电子系统电磁分析方法重点关注的是PCB设计和高速信号，定义电路板堆叠和材料属性，并仿真信号迹线，生成信号丢失和相邻迹线（近端/远端）串扰的S参数响应模型，并将其整合到后续的电路仿真中，以测量总体发送/接收信号的保真度。然而，与连接单个S参数模型相比，当前电子系统的复杂性需要一种更全面的方法进行电磁耦合仿真，系统将集成从音频到毫米波的广泛信号频率，并在极紧凑的体积外壳中采用高级封装。

Ansys HFSS团队正在着力推进多项技术更新，包括计算和网格生成的关键领域，以实现这样的分析。现在，设计师可以使用可控的计算资源来评估和优化过去无法实现的模型范围。

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