電尺寸的大小，是指電磁領(lǐng)域中的幾何尺寸與工作波長的比值。當(dāng)物理尺寸遠(yuǎn)大于電波長時(shí)，如10個波長、100個波長以上，一般就稱之為電大尺寸問題。電尺寸再增加到上千個波長，則可視之為超電大問題。

電大尺寸問題的混合算法求解思路，主要是結(jié)合當(dāng)前主流電磁算法的優(yōu)點(diǎn)，對不同類型的電大尺寸問題，調(diào)用兩種算法或多種算法，使得在資源和時(shí)間受限的情況下進(jìn)行混合求解計(jì)算，仍能得到合適的分析結(jié)果。

電大尺寸復(fù)雜問題，主要指待求解的問題不僅僅是一個電大尺寸或超電大尺寸的幾何規(guī)模問題，同時(shí)還存在復(fù)雜的幾何細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的問題。

這不僅要求我們要選擇一個適用于大規(guī)模問題求解的算法，還要具備復(fù)雜問題的精確計(jì)算能力。這種情況下面臨的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)主要有：

1. 單一的電磁算法，無法解決電大尺寸與復(fù)雜細(xì)節(jié)并存的問題；

2. 龐大且復(fù)雜的幾何細(xì)節(jié)，傳統(tǒng)的網(wǎng)格剖分技術(shù)，無法應(yīng)對；

3. 大規(guī)模問題的求解，需要高效的并行技術(shù)與匹配的計(jì)算能力

前面提到過，混合求解的思路，可以結(jié)合各個算法的優(yōu)勢，如FEM有限元算法對于天線類復(fù)雜問題的精確求解，IE積分方程法對于電大尺寸金屬體的電流映射求解，SBR彈跳射線法對于超電大尺寸問題的高頻近似求解等。通過幾種算法的自由組合，可以恰到好處地解決電大尺寸復(fù)雜問題的算法難點(diǎn)。

而三維電磁場仿真軟件HFSS，恰巧具備上述多種算法的天然優(yōu)勢，主要算法模塊包括：

• 有限元算法FEM

• 積分方程法（IE）

• 彈跳射線法SBR

• 物理光學(xué)法PO

• 時(shí)域算法

除了時(shí)域算法以外，其他算法借助于DDM域分解并行技術(shù)，均可同時(shí)應(yīng)用于同一個問題或模型的求解，即混合算法的協(xié)同仿真模式。

HFSS  混合算法求解器

電磁仿真軟件的不斷進(jìn)步，離不開計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展。若要將復(fù)雜的電磁模型，描繪出可以讓計(jì)算機(jī)識別并自動計(jì)算的語言，則離不開數(shù)值計(jì)算與離散化的網(wǎng)格模型。HFSS電磁仿真軟件，強(qiáng)大的自動自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，就以自動化與精確化的特點(diǎn)，在仿真領(lǐng)域廣為人知。

HFSS軟件2019 R2版本中，推出了新型的Flex Mesh技術(shù)，可以極大的提高初始網(wǎng)格的劃分效率，降低算法對模型幾何體質(zhì)量的要求，從而大大縮短了大尺寸復(fù)雜模型的仿真時(shí)間，節(jié)省了工程師花費(fèi)在修模型、簡化模型的大量工作，解決了傳統(tǒng)的單核網(wǎng)格劃分在應(yīng)對大尺寸復(fù)雜模型時(shí)的低效率高耗時(shí)問題，如復(fù)雜多層饋網(wǎng)的大型微帶陣列天線、大型復(fù)雜載體的多天線布局等。

新型Flex Mesh技術(shù)

HPC高性能計(jì)算，是所有ANSYS軟件并行技術(shù)的統(tǒng)稱。隨著大型計(jì)算集群技術(shù)的不斷發(fā)展，ANSYS軟件的并行計(jì)算也在逐步的完善與進(jìn)步。

HFSS電磁仿真軟件目前支持的并行求解有：

• 多線程的共享內(nèi)存式計(jì)算

• 分布式內(nèi)存的矩陣計(jì)算

• 區(qū)域分解法的并行計(jì)算

• GPU加速等

另外，還有一種叫作DSO的任務(wù)分布式加速技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)頻率掃描的多頻點(diǎn)并行模式，以及參數(shù)掃描與優(yōu)化中的多參數(shù)并行模型。可以大大加速在頻掃與參掃等多任務(wù)求解問題，充分利用硬件資源，進(jìn)一步為設(shè)計(jì)探索提供更有利的高效加速計(jì)算。

HPC并行技術(shù)

在進(jìn)行大規(guī)模仿真問題的求解時(shí)，硬件資源配置是實(shí)現(xiàn)軟件高效并行計(jì)算的最終執(zhí)行體。根據(jù)仿真軟件的計(jì)算特點(diǎn)，配置合理的硬件計(jì)算資源，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模問題的高效率計(jì)算的前提，也是資源利用最大化、節(jié)省成本必不可少的關(guān)鍵。

HFSS軟件在網(wǎng)格剖分、自適應(yīng)迭代、頻率掃描、參數(shù)掃描等一系列的求解過程中，對硬件資源中的CPU、內(nèi)存、硬盤、顯存、網(wǎng)絡(luò)等的依賴度，理論上，當(dāng)然是所有的硬件指標(biāo)都越高越好，但是，如果預(yù)算有限，非要取舍的情況下，建議按照以下的優(yōu)先順序考慮：

當(dāng)然，配置也需要均衡，畢竟，問題的有效求解，是硬件資源整體平臺的能力，而不是某一個部件的能力決定的。

硬件配置示意圖

在同等求解規(guī)模的情況下，且資源足夠，單機(jī)求解一般要快于多機(jī)求解，工作站一般快于集群超算。具體原因主要是網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸問題，以及集群CPU因多核散熱問題，主頻一般都比較低（2.2到2.8GHz左右）；而工作站的主頻高，目前最高已超過4.0GHz。所以，需要多機(jī)并行的，或集群平臺運(yùn)算的，一定要配置高速率的交換機(jī)或路由，以及高規(guī)格的網(wǎng)絡(luò)等。

將天線裝載到一定的應(yīng)用環(huán)境（或場景）中，分析載體或環(huán)境因素對天線性能指標(biāo)的影響，驗(yàn)證天線設(shè)計(jì)指標(biāo)是否真正滿足實(shí)際需要；并根據(jù)仿真或測試結(jié)果，調(diào)整天線的安裝位置，尋求最佳天線性能的布局方案，稱之為天線布局和優(yōu)化設(shè)計(jì)，如機(jī)載天線布局、車載天線布局、星載天線布局等。

天線布局分析，關(guān)注的仍是天線本身。遇到這類問題，我們首先要考慮的，不是天線的載體或環(huán)境有多復(fù)雜，多徑效應(yīng)多難分析，仿真規(guī)模有多大等；而是我們設(shè)計(jì)的天線，究竟屬于哪種類型，電尺寸大小如何，敏感度如何，是否容易受到環(huán)境干擾。

這里就有必要說到“電小天線”的定義。所謂電小天線，主要指天線的最大幾何尺寸遠(yuǎn)小于工作波長的天線。一般來說，天線的最大幾何尺寸若小于工作波長的1/10或1/(2π)，則歸入電小天線范疇。電小天線的種類很多，如手機(jī)天線、耳機(jī)天線、手表天線、WIFI天線、GPS天線、北斗導(dǎo)航天線等。

電小天線示例

但是，電小天線素來有“仿不準(zhǔn)”“仿真無用”之稱。關(guān)鍵原因就在于，天線設(shè)計(jì)好之后，裝載到手機(jī)、電腦等終端設(shè)備上，性能曲線會“大變臉”，原本的設(shè)計(jì)顯得毫無用處，不得不現(xiàn)場“手術(shù)”“切銅皮”補(bǔ)救。這也被動促成了許多有經(jīng)驗(yàn)的 “銅皮大師”“一刀切”等調(diào)試高手。

而其根本原因還是在于電小天線的“小”和敏感變高等。相比于天線的載體或工作環(huán)境，天線的尺寸遠(yuǎn)小于波長；而載體或環(huán)境中的某個金屬結(jié)構(gòu)，反而更接近于工作波長，更易諧振于工作頻率。再考慮到電小天線的方向圖，都屬于類似于蘋果型的全向型，易受干擾，敏感度高。

所以，電小天線布局問題的解決方法，就是把載體與工作環(huán)境，當(dāng)做天線的本身進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)天線的時(shí)候，就充分考慮天線的PCB結(jié)構(gòu)、殼體、人體模型等環(huán)境因素的影響。

人體環(huán)境對電小天線的影響

而常規(guī)的天線陣列的布局分析，與電小天線正好相反。由于陣列天線的“地”足夠大，陣元也多，方向圖波束一般都很窄，容易受到環(huán)境影響的因素不多或很少。這樣一來，載體或環(huán)境因素對天線本體的性能影響，是非常有限的。

天線布局分析，也僅僅是一種驗(yàn)證的流程而已。例外的情況也有，主要是天線近場區(qū)加裝天線罩問題，如汽車?yán)走_(dá)天線罩+保險(xiǎn)杠的仿真等。

常規(guī)天線陣列的布局仿真

天線設(shè)計(jì)完成后，評估其在具體的工作環(huán)境中，天線發(fā)出電磁波信號的有效覆蓋范圍。如5G領(lǐng)域的基站天線信號覆蓋、星載導(dǎo)航天線的地面覆蓋范圍等。

信號覆蓋問題的分析，關(guān)注的不再是天線本體，而是電磁波從天線發(fā)出后，到達(dá)目標(biāo)區(qū)域的信號衰減，哪些是在可允許范圍內(nèi)，哪些超出了這個范圍。

這類超大尺寸問題的仿真分析，全波算法不再適用，而要借助純光學(xué)求解器SBR+。目前SBR+求解器已集成于HFSS軟件，可用于求解天線布局、汽車無人駕駛場景仿真等。

智能體育場的手機(jī)信號覆蓋

對于一個瞬時(shí)手機(jī)信號訪問量巨大的公共場所來說，如體育場，在常規(guī)的基站覆蓋條件下，GSM網(wǎng)絡(luò)通信的瞬時(shí)傳輸速率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，對于新型的智能體育場來說，有效動態(tài)覆蓋的智能小基站組合，是一個不錯的解決方案。上圖的案例，即是利用ANSYS電磁軟件HFSS中的SBR+技術(shù)，進(jìn)行小基站動態(tài)覆蓋的仿真驗(yàn)證，以滿足最小組合配置的前提下，動態(tài)覆蓋效果實(shí)現(xiàn)最佳。

另外，除了滿足手機(jī)信號傳輸規(guī)模以外，更高效的WIFI網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋，是解決公共場所更大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋匾侄巍Ｏ聢D是智能體育場WIFI網(wǎng)格布局優(yōu)化與信號覆蓋的仿真驗(yàn)證，主要考慮的是，在兩個WIFI天線正常工作的情況下，設(shè)計(jì)出WIFI信號對下方照射區(qū)的信號覆蓋最大化，而且不能產(chǎn)生盲區(qū)。

智能體育場的WIFI布局優(yōu)化與覆蓋

接收并檢測天線發(fā)射電磁信號的回波數(shù)據(jù)，通過一定算法識別或感知場景中的目標(biāo)特性信息。如雷達(dá)散射截面積RCS與ISAR成像、無人駕駛中的微波場景成像等。

ANSYS HFSS軟件，從2018.0版本開始，集成的SBR+求解器就開始應(yīng)用于RCS仿真。主要針對多金屬結(jié)構(gòu)體或帶涂覆層的金屬體，只要在HFSS建模環(huán)境下，設(shè)置目標(biāo)體為SBR-Region，即可進(jìn)行快速的RCS求解與腳本成像。由于SBR+求解器，依賴于光學(xué)射線的彈跳計(jì)算，不進(jìn)行網(wǎng)格迭代，對于RCS問題的求解相當(dāng)快捷。

動態(tài)目標(biāo)RCS仿真與成像

而自2018.2版本以后，HFSS軟件新增加了SBR單獨(dú)的仿真環(huán)境，可以建立理想的天線源，也可以導(dǎo)入仿真好的天線方向圖結(jié)果，進(jìn)行道路場景的動態(tài)參數(shù)掃描與頻率掃描分析。然后通過腳本功能進(jìn)行IFFT變換為時(shí)域數(shù)據(jù)，得到ISAR、Range Profile、Water Fall、Range Doppler等成像結(jié)果。

無人駕駛動態(tài)場景仿真