自Ansys 2021 R1版本中推出Ansys HFSS網(wǎng)格融合功能，這讓我想起了20多年前首次使用HFSS軟件時(shí)的驚喜。在我看來，此次HFSS網(wǎng)格融合功能是自HFSS誕生以來的最大進(jìn)步。我之所以這么說，是因?yàn)樗鼘①x予HFSS網(wǎng)格劃分和求解我難以想象的復(fù)雜設(shè)計(jì)的能力。

1999年當(dāng)時(shí)我在加州的一家天線初創(chuàng)公司工作時(shí)，第一次使用HFSS來仿真藍(lán)牙、Wi-Fi和移動(dòng)天線。我當(dāng)時(shí)的反應(yīng)是：“真是相見恨晚！” HFSS所提供的仿真精度以及洞察徹底震撼了我。

Ansys HFSS網(wǎng)格融合功能可以仿真PCB、組件和大型系統(tǒng)

在使用HFSS之前，了解天線的運(yùn)轉(zhuǎn)方式需要投入大量時(shí)間、資金和資源的測量方法，這些方法只能間接提供有關(guān)電磁場的信息。但借助HFSS，我不僅能真正看到電磁場，還可以看到天線發(fā)射的電磁波，這種額外的電磁場信息在實(shí)驗(yàn)室中很難提取，它大幅加速了我們的設(shè)計(jì)流程。而且，在自動(dòng)自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)的幫助下，仿真精度也達(dá)到了難以置信的水平。我記得分析了藍(lán)牙天線的遠(yuǎn)場模式，用紅色繪制測量數(shù)據(jù)，用藍(lán)色繪制HFSS結(jié)果，結(jié)果得到一條紫色的線。此后，我極度信賴HFSS，并于2001年加入Ansoft。從那以后，Ansoft與Ansys一直密切合作，隨后Ansys在2008年收購了這家公司。

在隨后幾年中，我欣喜地看到Ansys HFSS的所有改進(jìn)，例如全新界面以及新的求解器技術(shù)。市場不斷要求HFSS提供更強(qiáng)大、更快速的仿真功能，令我印象特別深刻的是2008年推出的域分解方法（DDM）。DDM是一種創(chuàng)新型求解器技術(shù)，使用網(wǎng)格分區(qū)跨多個(gè)（包含連網(wǎng)的）核心和存儲(chǔ)器分布仿真，以求解更大、更復(fù)雜的問題，實(shí)現(xiàn)HFSS仿真容量按數(shù)量級(jí)擴(kuò)展。然后在2014年推出的分布式內(nèi)存矩陣（DMM）求解方法實(shí)現(xiàn)了矩陣劃分求解器，從而提供直接矩陣求解器的低本底噪聲和多激勵(lì)效率，但具有分布式核心和存儲(chǔ)器。

在隨后幾年中，其他高性能計(jì)算（HPC）技術(shù)，例如多級(jí)HPC，使HFSS能夠運(yùn)用更多核心、處理器和節(jié)點(diǎn)。在最近的2019年，HFSS實(shí)現(xiàn)在基于微軟Azure的Ansys Cloud上運(yùn)行，允許HFSS用戶訪問幾乎無限的計(jì)算能力，以求解最復(fù)雜且最具挑戰(zhàn)性的問題。HFSS最近利用Ansys Cloud的計(jì)算能力求解全射頻集成電路（RFIC）前端，在容量方面創(chuàng)下新的里程碑。仿真該設(shè)計(jì)得到的矩陣大小接近一億，這是在Ansys Cloud計(jì)算資源上利用這些求解器取得的重大進(jìn)展，表明HFSS有能力求解極其龐大且復(fù)雜的設(shè)計(jì)。

使用Ansys HFSS輕松對任何大型復(fù)雜電磁系統(tǒng)的場進(jìn)行網(wǎng)格劃分并繪制，例如帶有封裝、PCB、線纜和天線的無人機(jī)

更短的產(chǎn)品生命周期、更豐富的產(chǎn)品功能以及更高的數(shù)據(jù)速率和頻率，對工程師而言向市場交付產(chǎn)品變得愈加困難。從我在1999年仿真藍(lán)牙天線開始，設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了長足的發(fā)展。HFSS用戶現(xiàn)在分析的設(shè)計(jì)與整個(gè)256單元5G毫米波（mmWave）陣列天線一樣全面。使用HFSS求解更復(fù)雜的電磁系統(tǒng)似乎是不二之選，例如封裝中的集成電路（IC）、外殼中包含電容傳感器矩陣的觸摸顯示器，甚至是船載多天線共址分析等較大型系統(tǒng)。

當(dāng)然，對更大、更好、更快的追求始終會(huì)給網(wǎng)格劃分和求解帶來挑戰(zhàn)。HFSS用戶一直致力于推進(jìn)網(wǎng)格劃分和求解的可能性，例如平板電腦中的5G毫米波無線模塊，或帶有多個(gè)印刷電路板（PCB）的復(fù)雜系統(tǒng)的電磁干擾/兼容性（EMI/EMC) 研究，包括連接器和線纜。在這些大規(guī)模電磁系統(tǒng)中進(jìn)行網(wǎng)格劃分會(huì)更加困難，因?yàn)槠鋷缀谓Y(jié)構(gòu)高度復(fù)雜，特征尺寸跨越多個(gè)數(shù)量級(jí)。

Ansys HFSS幫助求解和繪制復(fù)雜封裝、PCB、連接器和線纜系統(tǒng)的場

生成設(shè)計(jì)的初始網(wǎng)格是HFSS有限元方法（FEM）中最具技術(shù)挑戰(zhàn)的一個(gè)方面。在生成FEM網(wǎng)格時(shí)，設(shè)計(jì)幾何結(jié)構(gòu)的多個(gè)方面都會(huì)起作用，例如它是否是類似于PCB的分層結(jié)構(gòu)，或是類似于同軸連接器、線纜或外殼的3D結(jié)構(gòu)，亦或是飛機(jī)或汽車這樣的平臺(tái)。HFSS提供的多種網(wǎng)格劃分技術(shù)能完美解決各種設(shè)計(jì)類型。例如，具有幾何結(jié)構(gòu)感知能力的HFSS Phi網(wǎng)格剖分器能有效處理PCB、封裝和IC設(shè)計(jì)中的分層結(jié)構(gòu)，但是對于任何給定設(shè)計(jì)，都無法采用統(tǒng)一的網(wǎng)格劃分方法。如果一款設(shè)計(jì)由多種 “類型” 構(gòu)成，例如PCB上接有線纜的連接器，那么生成初始網(wǎng)格會(huì)相當(dāng)困難。

幾何結(jié)構(gòu)尺度是另一個(gè)挑戰(zhàn)。由于目前使用的頻率更高，不能再安全地忽視IC與其封裝中的電磁耦合。但是在如此復(fù)雜的電磁系統(tǒng)中，幾何結(jié)構(gòu)從微米到毫米的精細(xì)尺度帶來網(wǎng)格容差方面的難題。創(chuàng)建一個(gè)有限元網(wǎng)格，在多種類型的設(shè)計(jì)中按特征尺寸的數(shù)量級(jí)進(jìn)行擴(kuò)展，同時(shí)真實(shí)展現(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)的每個(gè)地方，這對工程仿真而言是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的難題。

為了解決這些網(wǎng)格劃分難題，Ansys 2021 R1推出了全新功能：Ansys HFSS網(wǎng)格融合功能，其專利技術(shù)使Ansys HFSS能以相同的嚴(yán)格度、精度和可靠性仿真更復(fù)雜設(shè)計(jì)。它通過在相同的設(shè)計(jì)中應(yīng)用適合局部幾何結(jié)構(gòu)的特定網(wǎng)格劃分技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

仿真大型系統(tǒng)電磁（EM）發(fā)射示例：EMI暗室中的觸摸屏電視面板

在前面帶有連接器和線纜的PCB示例中，可以對PCB應(yīng)用Phi網(wǎng)格劃分技術(shù)，連接器和線纜則使用3D-optimal TAU網(wǎng)格剖分器。此外，還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，不同的網(wǎng)格劃分技術(shù)可以使用HPC資源并行運(yùn)行。HFSS網(wǎng)格融合功能的另一個(gè)優(yōu)勢是，局部應(yīng)用網(wǎng)格劃分技術(shù)時(shí)，組件的網(wǎng)格容差由其自身尺寸決定，而不是由整個(gè)電磁系統(tǒng)的尺寸決定。

HFSS網(wǎng)格融合功能沿用與之前相同的 “電磁感知” 自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)并不會(huì)影響精度，因?yàn)槿詈想姶啪仃囀抢妹總€(gè)自適應(yīng)網(wǎng)格步并針對頻率掃描中的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行求解的。

HFSS網(wǎng)格融合功能為解決更復(fù)雜的綜合電磁系統(tǒng)開辟了新的可能性。結(jié)合DMM的先進(jìn)彈性硬件求解器技術(shù)并選擇使用Ansys Cloud訪問硬件（從芯片到船舶），利用HFSS和全新HFSS網(wǎng)格融合技術(shù)可以解決無限挑戰(zhàn)。