本文原刊登于Ansys Blog：《From Chips to Ships, Solve Them All With HFSS》

作者：Matt Commens | Ansys首席產品經理（HFSS）

編輯整理：褚正浩 | Ansys中國高級應用工程師

 自Ansys 2021 R1版本中推出Ansys HFSS網格融合功能，這讓我想起了20多年前首次使用HFSS軟件時的驚喜。在我看來，此次HFSS網格融合功能是自HFSS誕生以來的最大進步。我之所以這么說，是因為它將賦予HFSS網格劃分和求解我難以想象的復雜設計的能力。

1999年當時我在加州的一家天線初創公司工作時，第一次使用HFSS來仿真藍牙、Wi-Fi和移動天線。我當時的反應是：“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網格融合功能可以仿真PCB、組件和大型系統

在使用HFSS之前，了解天線的運轉方式需要投入大量時間、資金和資源的測量方法，這些方法只能間接提供有關電磁場的信息。但借助HFSS，我不僅能真正看到電磁場，還可以看到天線發射的電磁波，這種額外的電磁場信息在實驗室中很難提取，它大幅加速了我們的設計流程。而且，在自動自適應網格劃分技術的幫助下，仿真精度也達到了難以置信的水平。我記得分析了藍牙天線的遠場模式，用紅色繪制測量數據，用藍色繪制HFSS結果，結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，例如全新界面以及新的求解器技術。市場不斷要求HFSS提供更強大、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是一種創新型求解器技術，使用網格分區跨多個（包含連網的）核心和存儲器分布仿真，以求解更大、更復雜的問題，實現HFSS仿真容量按數量級擴展。然后在2014年推出的分布式內存矩陣（DMM）求解方法實現了矩陣劃分求解器，從而提供直接矩陣求解器的低本底噪聲和多激勵效率，但具有分布式核心和存儲器。

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

使用Ansys HFSS輕松對任何大型復雜電磁系統的場進行網格劃分并繪制，例如帶有封裝、PCB、線纜和天線的無人機

更短的產品生命周期、更豐富的產品功能以及更高的數據速率和頻率，對工程師而言向市場交付產品變得愈加困難。從我在1999年仿真藍牙天線開始，設計已經取得了長足的發展。HFSS用戶現在分析的設計與整個256單元5G毫米波（mmWave）陣列天線一樣全面。使用HFSS求解更復雜的電磁系統似乎是不二之選，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。

當然，對更大、更好、更快的追求始終會給網格劃分和求解帶來挑戰。HFSS用戶一直致力于推進網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，或帶有多個印刷電路板（PCB）的復雜系統的電磁干擾/兼容性（EMI/EMC) 研究，包括連接器和線纜。在這些大規模電磁系統中進行網格劃分會更加困難，因為其幾何結構高度復雜，特征尺寸跨越多個數量級。

Ansys HFSS幫助求解和繪制復雜封裝、PCB、連接器和線纜系統的場

生成設計的初始網格是HFSS有限元方法（FEM）中最具技術挑戰的一個方面。在生成FEM網格時，設計幾何結構的多個方面都會起作用，例如它是否是類似于PCB的分層結構，或是類似于同軸連接器、線纜或外殼的3D結構，亦或是飛機或汽車這樣的平臺。HFSS提供的多種網格劃分技術能完美解決各種設計類型。例如，具有幾何結構感知能力的HFSS Phi網格剖分器能有效處理PCB、封裝和IC設計中的分層結構，但是對于任何給定設計，都無法采用統一的網格劃分方法。如果一款設計由多種 “類型” 構成，例如PCB上接有線纜的連接器，那么生成初始網格會相當困難。

幾何結構尺度是另一個挑戰。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。但是在如此復雜的電磁系統中，幾何結構從微米到毫米的精細尺度帶來網格容差方面的難題。創建一個有限元網格，在多種類型的設計中按特征尺寸的數量級進行擴展，同時真實展現幾何結構的每個地方，這對工程仿真而言是一項極具挑戰性的難題。

為了解決這些網格劃分難題，Ansys 2021 R1推出了全新功能：Ansys HFSS網格融合功能，其專利技術使Ansys HFSS能以相同的嚴格度、精度和可靠性仿真更復雜設計。它通過在相同的設計中應用適合局部幾何結構的特定網格劃分技術來實現這一點。

仿真大型系統電磁（EM）發射示例：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應用Phi網格劃分技術，連接器和線纜則使用3D-optimal TAU網格剖分器。此外，還有一個優點是，不同的網格劃分技術可以使用HPC資源并行運行。HFSS網格融合功能的另一個優勢是，局部應用網格劃分技術時，組件的網格容差由其自身尺寸決定，而不是由整個電磁系統的尺寸決定。

HFSS網格融合功能沿用與之前相同的 “電磁感知” 自適應網格劃分技術并不會影響精度，因為全耦合電磁矩陣是利用每個自適應網格步并針對頻率掃描中的每個點進行求解的。

HFSS網格融合功能為解決更復雜的綜合電磁系統開辟了新的可能性。結合DMM的先進彈性硬件求解器技術并選擇使用Ansys Cloud訪問硬件（從芯片到船舶），利用HFSS和全新HFSS網格融合技術可以解決無限挑戰。

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