ANSYS电磁仿真工具详解：HFSS、SIwave与Q3D对比

分析对象

这三个软件的分析对象上有一些区别，其中HFSS和Q3D比较类似，都支持对3D任何结构的建模和分析，最后都能得到该结构的等效电路模型；SIwave的分析对象主要还是层叠结构，是一个PCB专用的分析工具。

产品定位

HFSS是针对微波、射频和SI的工具， SI分析只是它功能的一个方面，此外，它还能求解腔体、波导等的本征模；Q3D仅仅是针对SI的工具，没有别的用途；SIwave是针对PCB分析的工具，除了SI，还可以做PI和EMI分析，但是在ANSYS新的产品规划里面，SI问题将以HFSS 3D Layout来主导，SIwave正在向PI和EMI工具进行演变。

求解原理

HFSS是3D全波电磁场仿真工具，基于有限元理论，对全波Maxwell方程组联合求解，理论上计算结果的准确度不受限于频率，仿真的时间步长，但是占用的计算机资源多；Q3D是准静态的2D\3D电磁场仿真工具，对电压和电流建立电路方程组求解，因此仿真的速度快，但是因为采用的是电路理论，因此只在一定的频率范围内是准确的，这个范围通常是要求结构尺寸小于求解波长的十分之一，通常建议适用的频率上限是5Gbps；SIwave是2.5D的电磁场仿真工具，它假设PCB在层叠Z方向上的电磁场是均匀分布的，因此求解的是对Z方向分量进行简化后的Maxwell方程组，要求Z方向上的结构不能有变化，因此也只在一定的频率范围内是准确的，通常要求分析对象必须拥有完整的参考平面，通常建议适用的频率上限也是5Gbps。

仿真算法

HFSS采用核心算法是FEM、IE和DGTD，在新的版本里面还加入了MLFMM、FETD等算法，不但能够求解频域问题，还能求解时域问题，此外，除了传统的电小尺寸求解，现在电大尺寸求解能力也有极大的提升；Q3D采用的主要是FEM、MOM和FMM方法，在新的Q3D里面还新增了PEEC（部分元件等效电路）的算法，能够分析各种三维互连结构的寄生电路；SIwave则采用了FEM和MOM的混合算法，针对TRACE这种结构采用的是MOM算法，Plane采用的是FEM，在求解效率上相比HFSS有明显的提升。

网格技术

HFSS主要采用的是四面体网格，其中IE算法采用的是三角形面网格，网格的剖分和加密采用的是自适应剖分和加密技术，即根据结构顶点进行初始网格剖分，基于电场梯度变化进行网格加密，因此网格剖分和加密迭代的效率比较低，但是网格质量非常高；SIwave采用的是四面体网格和三角形网格的混合技术，对Plane采用的是四面体网格，Trace采用的三角形面网格，网格的剖分和加密采用的是新的Phi-Mesh技术，即先生成XY的三角形面网格，然后再基于面网格生成Z方向的四面体网格，这种网格的好处是质量很高，加密迭代速度快，但是应用范围有限，只能运用于平面层叠结构；Q3D采用的网格技术和HFSS完全一样。

生成的模型

HFSS和SIwave生成的是频域S参数模型，能直观显示互连系统在整个关心频段上的传输特性，有助于分析、解决问题，而Q3D生成的只是等效的电路模型，就是用集中参数的RLGC元件的串、并联来等效互连系统，必须把模型送入到时域仿真器后，才能看到互连系统的效果，也不能一下就能发现建模中的问题。

总结

1. Q3D和SIwave是专门给SI工程师准备的，在低于5Gbps的场合，与HFSS的结果是一致的，差别很小，但是仿真效率有明显的提升。如果是10Gbps及以上的互连，Q3D和SIwave就不适合了，此时必须用全波的三维电磁场工具HFSS。

2. Q3D无法得到S参数，是等效的电路模型，因为Q3D包含多个场计算引擎，分别用来计算R，L，G，C，最后合成就得到用RLGC（当然可能包含受控源）表示的等效电路模型。RLGC是否频率相关，要看设置的导体、介质属性，这里说的静态，是指静态的电场和静态的磁场，而不是交变的电磁场。

3. 总之，Q3D和SIwave能做的事情，HFSS也能做，而且还能做得更好，但这里有个代价问题，需要综合考虑仿真精度和仿真时间的平衡。从实际情况出发，选择合适的分析工具，在最短的时间内解决问题，对于CAE工程师来讲才是最重要的。

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