ANSYS HFSS

ANSYS HFSS - это современное, высокопроизводительное программное обеспечение для моделирования электромагнитных полей, используемое для анализа беспроводных устройств, печатных плат, элементов силовой электроники и прочих электронных устройств различного применения. HFSS является отличным инструментом для решения задач радиолокации, расчета ЭПР объектов со сложной геометрией.

Математическая основа ANSYS HFSS - метод конечных элементов, задача которого заключается в нахождении единственно возможного распределения электромагнитного поля в заданной расчетной области при указанных граничных условиях и возбуждении.

ANSYS HFSS стремительно развивается, высокопроизводительные решатели с высокой точностью и максимальной скоростью позволяют рассчитать электрические и магнитные поля, токи, S-параметры, излучение полей в ближней и дальней зоне, удельную мощность поглощения излучения, потери в материалах и потери на излучение, а также преобразование различных видов колебаний. Пользователю предоставляется огромный инструментарий и современный постпроцессор для расчёта и оптимизации электродинамических устройств на основе анализа виртуальной модели.

Процесс выполнения расчета полностью автоматизирован, пользователю необходимо всего лишь определить геометрические параметры, свойства материалов и желаемый результат. HFSS автоматически построит точную сеточную модель, соответствующую конкретному случаю, для решения задачи при помощи метода конечных элементов. В технологии HFSS физика определяет параметры сеточной модели, а не наоборот.

ANSYS HFSS применяется для расчетов электромагнитных полей в антенных системах беспроводных устройств, элементах печатных плат, а также СВЧ и ВЧ-компонентов. Работа с виртуальными моделями взамен дорогостоящих натурных экспериментов имеет четкую экономическую обоснованность. HFSS применяется для решения целого ряда задач из области электродинамики.

  • Расчет трехмерного электромагнитного поля различных антенных систем: автомобильных радаров, средств мобильной связи;
  • Решение задач интерференции электромагнитного поля и взаимных влияний;
  • Расчет многоэлементных антенных решеток;
  • Расчет диаграмм рассеяния (RCS - Radar Cross Section) для крупных объектов, таких как самолеты и другие транспортные средства. Расчет RCS производится с целью минимизации обнаружения объектов радаром, либо для получения типовых диаграмм рассеяния.
  • Анализ сигналов в электронных схемах и платах, на разъемах и в различных соединениях;
  • Прогнозирование электромагнитных помех, сигнальных трактов и электропитания;
  • Моделирование передачи электромагнитной энергии от микросхем или печатной платы к корпусу, рассеивание электромагнитного излучения на корпусе;
  • Междисциплинарные задачи: модуль HFSS может быть связан с ANSYS Mechanical и ANSYS DesignXplorer для выполнения междисциплинарного анализа и изучения возможностей оптимизации изделия.

Некоторые примеры решения задач с помощью ANSYS HFSS

HFSS 3D Modeler

ANSYS HFSS оснащён встроенным графическим редактором, функционал которого в полной мере обеспечивает потребности пользователя на этапе подготовки модели для расчета.

  • Импорт геометрической CAD-модели из всех современных пакетов трехмерного моделирования. Более подробно о импорте геометрических моделей можно узнать в описании лицензии ANSYS Alinks for MCAD или ANSYS Space Claim Direct Modeler.
  • Работа с большими сборками.
  • База примитивов: прямоугольник, окружность, параллелепипед, цилиндр, конус, сфера, тор.
  • Возможность создания геометрических моделей сверху-вниз (операции с геометрическими примитивами) и снизу-вверх (точки, линии, поверхности, объемы).
  • Булевы операции над геометрическими объектами (сложение, вычитание, пересечение и т.д.).
  • Возможность слияния нескольких геометрических объектов в один.
  • Параметрическое задание геометрии.
  • Проверка на наличие малых геометрических объектов, сингулярностей и многого другого с возможностью визуального контроля .
  • Инструменты измерения геометрических объектов: запрос объема, площади поверхности, длины линии и др. данных
  • ANSYS HFSS имеет набор примитивов, который используется для упрощения создания и параметризации моделей антенных систем и волноводных СВЧ-трактов: элементы печатных плат, прямоугольные и круглые волноводы, рупоры, антенны, любые виды излучателей, корпусы плат.

Некоторые геометрические модели, созданные с помощью примитивов в ANSYS HFSS

HFSS 3D Layout

HFSS 3D Layout - это интерфейс, оптимизированный для создания многоуровневой геометрии печатных плат и их пассивных компонентов. Он подходит для анализа целостности сигнала (Signal Integrity), полуволновых и излучающих эффектов. Область применения:

  • Анализ высокоскоростных последовательных каналов со сложными переходами между слоями плат;
  • Коммутация антенн и каналов миллиметрового диапазона;

Используя HFSS 3D Layout, можно импортировать или заново построить геометрию для анализа:

  • Электромагнитных параметров;
  • Излучаемых полей;
  • Исследования импедансов и постоянных распространения;
  • S-параметров;
  • Носимых и обратных потерь.

Модель в HFSS 3D Layout также является трехмерным объектом, при этом в модели могут быть учтены эффекты травления платы, виды скрепления проводов и виды шариков припоя. Геометрия компоновки задается в виде 2.5D-объекта со стеками и специализированными примитивами (такими как: переходные отверстия, контакты, дорожки и соединительные провода).

Редактор 3D Layout полностью параметрический, поэтому ширину и толщину трасс можно легко изменять. Решатель HFSS в 3D Layout включает в себя множество функций, предназначенных специально для печатных плат и структур корпусов. В основе решателя лежит передовая технология построения сетки, адаптированная для многослойной геометрии и элементов интегральных схем;

3D Components

Любая модель, созданная в ANSYS, может быть преобразована в 3D-компонент. 3D-компоненты можно использовать в более сложных моделях и проектах. 3D-компоненты включают в себя геометрию, свойства материала, граничные условия, настройки сетки, возбуждения и пр. Они удобны для повторного использования в таких устройствах как: антенны, разъемы и устройства поверхностного монтажа (конденсаторы, индуктивности и фильтры). 3D-компоненты могут быть защищены паролем и шифрованием.

3D-компоненты ANSYS можно сравнить со строительными блоками, реализованными в виде модулей plug-and-play. Поскольку 3D-компоненты обеспечивают полностью связанный электромагнитный анализ, они имеют явное преимущество по сравнению с моделью S-параметров, которая обеспечивает только отклик компонента. Если инженер устанавливает 3D-компонент антенны на самолет для имитации характеристик антенны, то он может быть уверен, что результат моделирования будет представлять собой полностью связанную и точную модель.

3D-компонент в ANSYS HFSS

Сегодня все больше поставщиков и разработчиков дискретных компонентов создают их трехмерные модели в ANSYS HFSS и предоставляют их конечным пользователям. Инженеры могут использовать эти модели при моделировании больших систем. Благодаря этой возможности поставщики получают конкурентное преимущество, а у инженеров появляется возможность расчетной проверки изделий перед их выбором.

Отличительной особенностью ANSYS HFSS от других инструментов электромагнитного моделирования является автоматическое формирование сетки для заданной геометрии. Автоматическая адаптивная сетка - это очень надежная методика, которая гарантирует требуемую точность и быстроту расчетов. Инженеру требуется лишь построить геометрию и правильно указать материалы, граничные условия, возбуждение и интересующую полосу частот. HFSS автоматически формирует необходимую сетку для расчетов. Поэтому инженеру не нужно быть экспертом по созданию сетки и беспокоиться о достоверности результатов моделирования.

Адаптивный сеточный генератор HFSS это:

  • Автоматический контроль ошибки вычислений.
  • Полностью автоматизированная процедура разбиения на тетраэдры твердых тел произвольной геометрии.
  • Автоматическое сгущение сетки (двух- и трехмерное) на уже имеющемся разбиении.
  • Построение нерегулярных сеток с разбиением приграничных областей “регулярными слоями”.
  • Перестройка сетки в соответствии с полученными в результате расчета узловыми перемещениями.
  • Импорт сеточной модели из других проектов.
  • Наличие вспомогательных сеточных операций для контроля дискретизации модели.
  • Структурированные сеточные модели для задач моделирования электрических машин.

 

Адаптивный сеточный генератор

HFSS содержит несколько решателей в одном пакете, каждый из которых предназначен для конкретного типа задач. В HFSS реализованы следующие численные методы:

  • Finite Element Method (FEM) - метод конечных элементов;
  • Method of Moments (MoM) - метод моментов;
  • Method of Shooting and Bouncing Rays (SBR) - стрельбовой метод с перехватом отраженных лучей (метод трассировки лучей);

Ниже перечислены типы решателей, позволяющих рассчитывать электромагнитные поля как для электрически малых, так и для электрически больших конструкций:

HFSS

SBR

Hybrid Technologies

Frequency Domain

Time Domain

Integral Equations

Physical Optics

Physical Theory of Diffraction

Uniform Theory of Diffraction

Creeping Wave

HFSS Hybrid Technologies. Гибридная технология

Гибридная технология подходит для электрически больших и сложных систем и основана на методах FEM, MoM и запатентованном ANSYS методе разложения доменов (Domain Decomposition Method - DDM). Если используется гибридный решатель, то локальные области с высокой геометрической детализацией и сложными материалами обрабатываются с помощью метода конечных элементов (FEM), области больших электрических размеров рассчитываются с помощью метода моментов (MoM). Подробнее FEM и MoM-решали рассматриваются ниже.

Пример гибридной задачи

HFSS Frequency Domain (Finite Element Method). FEM-решатель в частотной области.

Это высокопроизводительный трехмерный полноволновый электромагнитный решатель в частотной области, основанный на методе конечных элементов. Метод позволяет:

  • Рассчитать S, Y, Z - параметры и резонансную частоту;
  • Визуализировать электромагнитные поля;
  • Рассчитать потери в тракте;
  • Решать задачи по согласованию сопротивлений;
  • Определить взаимные влияния;
  • Рассчитать излучения в дальней зоне.

Области применения решателя: антенная техника, мобильная связь, интегральная схемотехника, высокоскоростные радиочастотные соединители, волноводы, разъемы, фильтры, EMI/EMC.

HFSS Time Domain (Finite Element Transient). FEM-решатель во временной области.

Это FEM решатель во временной области. Он используется для моделирования поведения электромагнитного поля в таких типовых задачах как: рефлектометрия (Time Domain Reflectometry - TDR), удары молний, электростатические разряды (Electrostatic Discharge - ESD) и электромагнитные помехи (Electromagnetic Interference - EMI).

Этот метод использует тот же сеточный конечно элементный метод (FEM), что и решатель в частотной области. При этом нет необходимости переключаться между областями моделирования. Transient Solver дополняет частотный решатель и позволяет инженерам строить электромагнитные характеристики как во временной, так и в частотной областях.

HFSS Integral Equations (IE-Solver). Интегральный MoM-решатель.

Решатель интегральных уравнений использует трехмерный метод моментов (MoM) для эффективного решения проблем открытого излучения и рассеяния электромагнитных волн. Он идеально подходит для расчета антенных систем и их конструктивных элементов, а также для исследования их эффективной площади рассеяния (ЭПР) или RCS (Radar Cross Section). Этот решатель менее требователен к памяти и уменьшает время решения, что делает его пригодным для расчета электрически больших задач.

SBR - Shooting & Bouncing Ray (англ.: метод трассировки лучей) является электромагнитным решателем, использующим метод физической оптики с одновременной реализацией технологий:

  • физической теории дифракции (Physical Theory of Diffraction - PTD);
  • унифицированной теории дифракции (Uniform Theory of Diffraction - UTD);
  • теории поверхностных волн (Creeping Wave - CW);

Технология SBR применяется для моделирования антенных систем и комплексов размерами в сотни и тысячи длин волн.

SBR использует метод трассировки лучей для расчетов поверхностных токов на антеннах или их креплениях. С помощью решателя SBR можно быстро и точно рассчитать диаграммы направленности антенн, распределение ближнего поля и S-параметры (связь антенны с антенной).

Распределение электромагнитного поля может быть рассчитано в электрически больших структурах, таких как транспортные средства, самолеты, обтекатели и т.д. Также SBR позволяет получить радиолокационные характеристики этих целей, включая (ISAR).  

SBR Physical Theory of Diffraction (PTD). Физическая теория дифракции

Эта разновидность SBE решателя используется для коррекции токов вдоль острых краев установленных антенных систем для учета дифракции электромагнитного поля.

SBR Uniform Theory of Diffraction (UTD). Унифицированная теория дифракции

Этот SBR решатель используется, когда нужно смоделировать дифракционные лучи, появившиеся в результате отражения от острых углов конструкции, и при этом большая часть геометрии рассеяния затенена от прямого попадания лучей источника.

SBR Creeping Wave Physics (CWP). Физика поверхностных волн

CWP решитель позволяет повысить точность расчетов для антенн, установленных непосредственно на изогнутых конструкциях. Решитель учитывает влияние поверхностных волн, которые находятся за пределами освещения источника поля.

Модуль ANSYS HFSS SI Options предназначен для анализа целостности сигнала (Signal Integrity), электропитания и проблем электромагнитных помех, вызванных шумами в результате взаимных влияний. Подобный анализ может быть необходим в печатных платах, электронных корпусах, разъемах и прочих сложных межслойных соединениях и переходах в печатных платах. Используя передовые возможности моделирования электромагнитного поля в HFSS с опцией SI, инженеры могут исследовать производительность высокоскоростных электронных продуктов задолго до создания аппаратного прототипа. Такой подход позволяет компаниям-производителям электроники добиться конкурентного преимущества за счет более быстрого выхода на рынок, снижения затрат и повышения производительности системы. Опция SI позволяет анализировать переходные процессы в HFSS, анализировать элементы интегральных схем и печатных плат. SI Options включает:

  • Линейный анализатор цепей (входит в HFSS);
  • Анализатор переходных процессов;
  • QuickEye и VerifEye диаграммы для анализа высокоскоростных каналов связи;
  • Анализ Монте-Карло с поддержкой функций Spectre® и HSPICE®;
  • DC анализ с автоматическим контролем сходимости;
  • Динамическую связь с ANSYS Q3D Extractor и ANSYS SIwave;
  • IBIS-AMI анализ и поддержку моделей.

ANSYS HFSS RF Options - это модуль для высокопроизводительного радиочастотного моделирования. Он включает в себя ANSYS EMIT, используемый для анализа производительности радиочастотных систем в сложных средах с несколькими источниками помех. Также он предоставляет инструменты, необходимые для быстрого выявления радиочастотных помех. RF опция также включает в себя ANSYS Circuit, позволяющий моделировать работу электронных схем.

Возможности высокочастотного анализа с RF Options позволяют:

с помощью EMIT:

  • Пользоваться встроенными моделями распространения радиоволн;
  • Производить анализ электромагнитной совместимости антенн;
  • Анализировать энергетический бюджет линии связи;
  • Производить автоматическую диагностику для выявления причин взаимных помех;
  • Использовать библиотеки высокочастотных компонентов;
  • Анализировать развязку между антеннами;
  • Производить быструю сравнительную оценку радиомоделей;

с помощью анализа в Circuit:

  • Пользоваться линейным анализатором;
  • Анализировать переходные процессы;
  • DC анализ;
  • Анализ многотонального гармонического баланса

с помощью Shooting Method:

  • Производить осцилляторный анализ;

с помощью Autonomous Plus Driven Sources Option:

  • Анализ шумов, и фазовых искажений
  • Конвертный анализ

с помощью Multicarrier Modulation Support:

  • Анализ нагрузки и поддержка моделей
  • Периодический анализ передаточной функции
  • Анализ переходных процессов

ANSYS TwinBuilder - это мощная платформа для моделирования устройств на системном уровне, позволяющая интегрировать модели ANSYS Maxwell, ANSYS HFSS, ANSYS SIwave и ANSYS Q3D Extractor. Благодаря гибким возможностям моделирования и тесной интеграцией с реальными физическими моделями, ANSYS TwinBuilder позволяет создавать концептуальный дизайн, проводить детальный анализ и проверку системы. TwinBuilder подходит для проектирования электрифицированных систем, генераторов мощности, преобразователей, расчета электромагнитных помех и взаимных влияний.

Возможности TwinBuilder:

  • Симулятор цепей;
  • Модель в виде блок-схем;
  • Модель в виде конечного автомата;
  • VHDL-AMS моделирование;
  • Интегрированная среда графического моделирования;

Библиотека моделей:

  • Элементы аналоговой и силовой электроники;
  • Блоки управления и датчики;
  • Механические компоненты;
  • Гидравлические компоненты;
  • Цифровые и логические блоки;

Специализированные библиотеки:

  • Электрические транспортные средства
  • Энергосистемы
  • Модели пониженного порядка
  • Элементы силовой электроники и инструменты для создания их описательных моделей
  • Совместное моделирование с MathWorks Simulink
  • Поддержка формата Open GL.
  • Перспективные изображения.
  • Цветовая и цифровая индикация элементов и геометрических примитивов согласно их атрибутам.
  • Наличие многооконного режима работы.
  • Построение любых сечений и разрезов.
  • Вывод изображений в форматах WMF, BMP, TIFF, JPEG, AVI.

  • Цветные контурные и векторные представления результатов расчета, эпюры, таблицы, графики.
  • Представление результатов в виде изоповерхностей и изолиний в прозрачном теле.
  • Построение сечений и разрезов и вывод результатов по ним.
  • Интегральный калькулятор поля позволяет производить любые операции с векторным полем и скалярными величинами.
  • Вычисление напряжения ЭМ поля, электрической емкости, индуктивности, реактивного и активного сопротивления.
  • Графический запрос результатов указанием мыши.
  • Анимация в виде движущегося сечения с выводом в нем результатов в контурном или векторном виде.
  • Построение графиков зависимостей переменных, как от времени, так и от других переменных.
  • Алгебраические и матричные операции над результатами.
  • Оценка ошибки расчета и графическая визуализация уровней в виде цветных контурных изображений.
  • Операции над результатами вдоль произвольно задаваемого пути.

Визуализация поля и построение графиков в ANSYS HFSS

ANSYS Optimetrics — универсальная дополнительная программа, которая добавляет к проекту параметрический, оптимизационный, статистический анализ и анализ чувствительности. Optimetrics доступен в интерфейсе ANSYS HFSS как дополнительная опция в дереве проекта. Продукты для численного электромагнитного моделирования ANSYS HFSS, ANSYS Q3D Extractor и ANSYS Maxwell, а также модуль ANSYS RMxprt позволяют вводить в расчетные модели параметры, описывающие геометрические размеры, свойства материалов, возбуждение и граничные условия. ANSYS Optimetrics работает с перебором этих параметров, изменяя расчетную модель в рамках допустимых значений параметров и стремится к достижению требуемых целевых функций или других заданных величин: скалярных, векторных, интегральных и т.д.

Использование этого дополнительного приложения совместно с ANSYS HFSS, ANSYS Maxwell, ANSYS RMxprt и ANSYS Q3D Extractor предоставляет весьма удобную, автоматизированную, надежную платформу проектирования, позволяющую инженеру лучше понять пространство проектных параметров и сделать обоснованный выбор параметров конструкции.

ANSYS Electronics HPC – дополнительные опции для высокопроизводительных вычислений (HPC) позволяют раскрыть весь доступный потенциал многоядерных, многопроцессорных вычислительных станций и решателей пакета ANSYS Electromagnetic Suite, таким образом обеспечивая максимальную скорость и точность решения. Опция распараллеливания ANSYS Electronics HPC значительно упрощает численное решение задач на сложных моделях, содержащих большое количество геометрических деталей, учитывая междисциплинарность физических процессов.

ANSYS Distribute Solve Option – опция распределённого решения ANSYS Distribute Solve Option (DSO) значительно ускоряет процесс решения параметрических и оптимизационных задач и является аналогом опции ANSYS HPC Parametric Pack. Увеличение производительности достигается за счёт одновременного решения множества комбинаций параметров взамен обычного последовательного перебора. ANSYS DSO поддерживается всеми программными модулями ANSYS Electromagnetics Suite.

Параллельные и распределенные расчёты

  • Использование для вычислений всех доступных ядер вычислителя с единой физической памятью.
  • Расчёт на удаленной вычислительной станции.
  • Параметрические и оптимизационные расчеты на вычислителях в локальной сети и на кластерных сборках.

ANSYS Electronics Desktop с решателем HFSS SBR + позволяет разработчикам радаров рассчитывать и прогнозирования радиолокационные параметры конструкций в диапазоне от субволновых до киловолновых. HFSS SBR + идеально подходит для разработки систем обнаружения, предотвращения столкновений, а также систем радиопротиводействия.

Программное обеспечение ANSYS HFSS позволяет рассчитывать фазированные антенные решетки конечного размера со всеми электромагнитными эффектами, включая межэлементное взаимодействие и критические эффекты, возникающие на ее границе массива. Методы моделирования ФАР конечного размера используют повторяющийся характер геометрии. Его можно использовать с возможностью декомпозиции домена HPC для получения быстрого времени решения для больших массивов конечного размера. Эта технология позволяет выполнять полный анализ массива для прогнозирования всей взаимной связи, импеданса сканирования, шаблонов элементов, шаблонов массивов и краевых эффектов массива.