Пакет программ ANSYS HFSS – отраслевой стандарт для трехмерного электромагнитного моделирования и разработки высокочастотных радиоэлектронных и антенных устройств. ANSYS HFSS использует новейшие алгоритмы и методы электродинамического расчета. Пользователю предоставляется возможность выбора, какой метод расчета следует использовать в той или иной задаче электромагнитного моделирования. Каждая из вычислительных технологий ANSYS HFSS основана на мощном автоматизированном вычислительном процессе, в котором пользователю требуется задать геометрию, свойства материалов и способ представления результатов. На основе этих данных HFSS автоматически сформирует соответствующую сетку разбиения объекта для выполнения быстрого и точного расчета. Широкий выбор методов расчета позволяет пользователю подобрать оптимальную конфигурацию программного обеспечения ANSYS для эффективного решения производственных задач предприятия.
- применение HFSS при проектировании антенных и СВЧ-устройств
- анализ в частотной области (ANSYS HFSS Frequency)
- анализ переходных процессов (ANSYS HFSS Transient)
- анализ методом интегральных уравнений (ANSYS HFSS IE Solver)
- анализ методом физической оптики (ANSYS Physical Optics)
- анализ гибридным методом конечных элементов и интегральных уравнений (ANSYS HFSS FE-BI Solver)
- интерактивная среда разработки антенных устройств (Antenna Design KIT)
- интеграция с ECAD/MCAD системами (ANSYS AnsoftLinks)
- интеграция с ANSYS Designer (HFSS Solver on Demand)
- опция распределенных вычислений (Distributed Solve Option, DSO)
- возможности ANSYS HFSS
Современный подход к электромагнитному моделированию компании ANSYS, не имеющий аналогов по функциональности и глубине проработки инженерных решений, позволяют компаниям, использующим ее продукты, воплощать свои передовые идеи в работающих изделиях и инновационных проектах. Сегодня практически все компании, входящие в первую сотню компаний «FORTUNE Global 500», делают инвестиции в использование электромагнитного и численного моделирования для решения инженерных задач, считая это ключевым направлением, которое обеспечит победу в глобальной конкуренции. И они выбирают ANSYS, используя его инновационные возможности для решения сложных инженерных задач. Масштабируемость решений ANSYS обеспечивает возможность адаптации к нуждам пользователей в рамках единой платформы проектирования, настраиваемой исходя из требований к разрабатываемым системам и процессам. Поэтому неудивительно, что наиболее успешные компании делают свой выбор в пользу ANSYS, имеющей на протяжении 30 лет репутацию ведущего производителя средств моделирования для решения электродинамических задач.
Применение ANSYS HFSS при проектировании антенных и СВЧ-устройств
Вычислительные технологии HFSS позволяют проектировать ВЧ/СВЧ устройства и многослойные интегральные схемы, антенны и антенные системы, ферритовые устройства, входящие в состав приемо-передающих трактов различных систем связи (радарных системах, спутниковых системах, системах сотовой связи и т.д.) как военного, так и гражданского назначения. HFSS как система автоматизированного проектирования активно внедряется на производствах и успешно используется в различных отраслях промышленности.
HFSS используется для решения различных задач прикладной электродинамики (расчет ЭПР), задач электродинамики сплошных тел, при разработке излучающих электродинамических структур, при проектировании биомедицинских приборов, при проектировании АФАР, для разработки электродинамических структур, обеспечивающих снижение радиолокационной заметности, а также решения задач ЭМС.
Для точного решения более сложных задач численного моделирования электромагнитных полей доступна опция высокопроизводительных вычислений (High-Performance Computing, HPC), которая позволяет использовать вычислительные мощности, как локального компьютера, так и компьютерного кластера.
Применение ANSYS HFSS:
Разработка СВЧ и антенных устройств
- Пассивные компоненты (ответвители, мультиплексоры, фильтры, ферритовые фазовращатели)
- Антенны (рупорная, щелевая, патч-антенны, антенны Вивальди, зеркальные и др.)
- Широкополосные антенны
- Фазированные антенные решетки
- Антенно-фидерные тракты
- Частотно-селективные поверхности (FSS)
- Электромагнитные структуры (EBG)
- Радиочастотные катушки
- Задачи экранирования и ЭМС
- Вычисление ЭПР (Reduced Cross Section, RDS)
Анализ целостности сигналов:
- Пассивные компоненты и соединения (например, спиральные индуктивности)
- Современные корпуса, включая BGA, MCM, LTCC и SiP
- Определение критических участков печатных плат, например, сквозные отверстия, контактные площадки, линии передачи, заземляющие слои
- Разъемы и соединительные панели
Анализ в частотной области (ANSYS HFSS Frequency)
В программном продукте ANSYS HFSS применяется трехмерный полноволновой алгоритм расчета электромагнитного поля в частотной области. Данный алгоритм основан на методе конечных элементов (Finite Element Method, FEM) для определения электрического поведения разрабатываемого устройства. ANSYS HFSS позволяет выделять паразитные параметры S, Y, Z, визуализировать электромагнитные поля ближней и дальней зоны, формировать полноволновые SPICE-модели для эффективной оценки качества сигнала, включая потери в канале передачи, потери на отражение из-за несогласованности сопротивлений, паразитные связи и излучение.
Обзор функциональных возможностей:
| Функциональные возможности | HFSS Pre/post | HFSS | HFSS + RF Option | HFSS + SI Option |
|---|---|---|---|---|
| Схемотехнический редактор | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
| 3-D интерфейс | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
| 3-D интерфейс топологии | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
| Оптимизация схемы | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
| Оптимизация топологии | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
| Интерактивная среда создания фильтров | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
| 3-D метод конечных элементов | ✔ | ✔ | ✔ | |
| 2.5D Метод моментов | ✔ | ✔ | ✔ | |
| Моделирование на системном уровне | ✔ | |||
| Анализ методом гармонического баланса | ✔ | |||
| Анализ при помощи осциллятора | ✔ | |||
| Анализ огибающей/Анализ методом вариации нагрузки | ✔ | |||
| Анализ по постоянному току | ✔ | ✔ | ||
| Анализ переходных процессов | ✔ | ✔ | ||
| 3-D FEM Solver Transient | ✔ | |||
| Поддержка HSPICE | ✔ | |||
| QuickEye* and VerifEye* | ✔ | |||
| Поддержка моделей IBIS-AMI | ✔ |
* VerifEye -- технология визуального анализа последовательных соединений, использующая статистические методы и обеспечивающая высокую точность при значительном уменьшении времени вычислений по сравнению с традиционными методами исследования переходных процессов. Этот пакет статистического анализа предоставляет в распоряжение инженера наиболее важные для практики средства тестирования при малых частотах появления ошибочных битов, особенно востребованные современными разработчиками гигабитных каналов связи.
* QuickEye – технология выполнения быстрой свертки методом линейной суперпозиции, который в считанные секунды осуществляет свертку сигнала длиной в миллионы бит. Используя опцию анализа искажений пиков сигнала (Peak Distortion Analysis), пакет QuickEye автоматически определяет наихудшую последовательность бит для заданного канала, которой соответствует максимальное ухудшение параметров канала.
Дополнительно рекомендуется:
ANSYS Optimetrics – для параметрического анализа и оптимизации проекта.
ANSYS Electronics HPC Pack – выскопроизводительные вычисления (значительное увеличение скорости расчетаза счет использования ресурсов компьютеров).
ANSYS AnsoftLinks – двухсторонний обмен данными с ECAD/MCAD системами.
Анализ переходных процессов (ANSYS HFSS Transient)
HFSS Transient – это пакет для трехмерного полноволнового электромагнитного расчета переходных процессов непрерывным методом Галеркина (DGTD). Данный алгоритм использует четырехгранные конечные элементы совместно с технологией формирования сетки исходя из заданной точности, что позволяет считать ANSYS HFSS «золотым стандартом» точных расчетов в электродинамике. С его помощью инженеры могут исследовать задачи, связанные с ударным возбуждением, например, работу георадаров (GPR), электростатический разряд, электромагнитную интерференцию и подсветку. Задачи могут также включать в себя рефлектометрию во временной области (TDR) и визуализацию во времени полей входных импульсов общего вида. Эта технология дополняет технологию HFSS Frequency для анализа в частотной области и является инструментом, позволяющим инженерам в деталях понять электромагнитные характеристики разрабатываемых устройств и систем.
Рис. 1 – Изучение влияния места размещения антенны на летательном аппарате; показаны поверхностные токи и конформные граничные условия
Рис. 2 – Распространение дифференциального сигнала во времени через гибкий кабель, рассчитанное при помощи HFSS Transientс использованием конформных конечных элементов.
Дополнительно рекомендуется:
ANSYS Optimetrics – для параметрического анализа и оптимизации проекта.
ANSYS Electronics HPC Pack – выскопроизводительные вычисления (значительное увеличение скорости расчета за счет использования ресурсов компьютеров).
ANSYS AnsoftLinks – двухсторонний обмен данными с ECAD/MCAD системами.
Анализ методом интегральных уравнений (ANSYS HFSS IE Solver)
HFSS-IE – это программный модуль, выполняющий вычисление токов в проводящих и диэлектрических структурах на основе технологии, использующей метод моментов. Пакет HFSS-IE предназначен для решения задач при излучении и рассеянии электромагнитных волн на больших токопроводящих поверхностях. HFSS-IE использует алгоритм адаптивного уточнения сетки, который обеспечивает получение достоверных результатов. Модуль HFSS-IE использует метод адаптивной перекрестной аппроксимации (Adaptive cross approximation, ACA) для уменьшения объема оперативной памяти, используемой для моделирования.
Программный модуль HFSS-IE идеально подходит для решения различных задач прикладной электродинамики:
- расчет ЭПР;
- расчет антенн;
- задачи размещение излучателей и антенн;
- задачи ЭМС.
Метод физической оптики (ANSYS HFSS Physical Optics Solver)
В состав технологии HFSS-IE входит программный модуль, построенный на основе метода физической оптики. Метод физической оптики предназначен для задач, в которых необходимо моделировать крупные металлические или диэлектрические структуры. Пользователь может по своему усмотрению подключать программный модуль HFSS PO для расчетов в закладке Setup/Options. Модуль HFSS PO используют при моделировании больших зеркальных антенн, а также расчете эффективной поверхности рассеяния крупных объектов, таких как самолеты и корабли. HFSS PO позволяет облучать токопроводящие структуры электромагнитными волнами различной формы (плоские, сферические и др.) или использовать его в гибридном методе расчетов в качестве источника возбуждения полей.
Дополнительно рекомендуется:
ANSYS Optimetrics – для параметрического анализа и оптимизации проекта.
ANSYS Electronics HPC Pack – выскопроизводительные вычисления (значительное увеличение скорости расчета за счет использования ресурсов компьютера).
ANSYS AnsoftLinks – двухсторонний обмен данными с ECAD/MCAD системами.
Анализ гибридным методом конечных элементов и интегральных уравнений (ANSYS HFSS FE-BI Solver)
Гибридные методы расчетов основаны на использовании технологий HFSS FEM и HFSS-IE. Данная технология, построенная на использовании метода декомпозиции (Domain decomposition method, DDM) и трехмерном решении интегральных уравнений, существенно сокращает время расчетов благодаря прямому решению интегральных уравнений на поверхностях. FI-BI обладает лучшими свойствами обоих методов: способность решать задачи с многослойными структурами и способность напрямую вычислять функции Грина в задачах на излучение и рассеяние электромагнитных волн. Используя гибридные методы расчетов, разработчики могут достичь практически идеальной точности при расчетах характеристик ВЧ/СВЧ структур, тем самым повышая надежность разрабатываемых изделий. Объем численных задач, содержащих антенные элементы, может быть значительно уменьшен при использовании конформных излучающих границ, которые уменьшают общее количество конечных элементов при расчетах.
Рис. 3 – Рупорная TEM-антенна, излучающая на металлическую плоскость; оба воздушных полупространства связаны через граничные условия FI-BI.
Дополнительно рекомендуется:
ANSYS Optimetrics – для параметрического анализа и оптимизации проекта.
ANSYS Electronics HPC Pack – выскопроизводительные вычисления (значительное увеличение скорости расчета за счет использования ресурсов компьютера).
ANSYS AnsoftLinks – двухсторонний обмен данными с ECAD/MCAD системами.
Интерактивная среда разработки антенных устройств (Antenna Design KIT)
Для разработчиков антенн специально выпущен отдельный программный продукт HFSS ADK. Данный программный модуль – «библиотека антенн», он содержит более 50 типовых моделей антенн (биконические, волноводные, спиральные, параболические, антенны Вивальди, патч-антенны и др.). Разработчику достаточно указать тип антенны и рабочую частоту, после чего программа сама произведет расчет геометрических размеров антенны. Далее полученную модель антенны можно загрузить в HFSS для расчета электрических характеристик и параметров. Использование ADK может существенно сократить время проектирования антенн.
Настройки ADK содержат:
- описание графического интерфейса;
- подробное описание каждой модели антенны.
Особенности ADK:
- Полная параметризация модели антенны
- Установка граничных условий
- Установка на решение
- Генерация результатов расчетов (электрические характеристики, ДН и т.д.)
- Экспорт/Импорт антенн
- Генерация отчета
- Каждая новая версия программы пополнятся новыми моделями антенн
Интеграция с ECAD/MCAD системами
Программный модуль ANSYS ALinks для ECAD/MCAD позволяет импортировать проекты из электрических (ECAD) и механических (MCAD) систем автоматизированного проектирования Cadence, Mentor Graphics, Altium , Zuken, Creo (Pro ENGINEER), AutoCAD, CATIA, Solidworks, Siemens NX. Поддержка форматов IGES, STEP, ACIS, Parasolid , DXF, DWG.
Интеграция с ANSYS Designer (HFSS Solver on Demand)
Технология HFSS Solver on Demand позволяет пользователям запускать HFSS непосредственно из интерфейса Designer, отображающего конструкцию изделия. Данная технология позволяет разработчику использовать вычислительные мощности и интерфейс HFSS для трехмерного моделирования в Designer. Интерфейс Designer поддерживает геометрические примитивы сторонних ECAD: стеки контактных площадок, трасс, соединения и шариковые контакты, открывая новые перспективы для разработчиков цифровых и радиочастотных изделий.
Опция распределенных вычислений (Distributed Solve Option, DSO)
Позволяет пользователям управлять параметрическими качаниями частоты для исследования влияния геометрии, материалов, границ и возбудителей. Кроме того, пользователи могут задавать качания частоты для получения откликов в интересующем широком диапазоне частот. Эта времясберегающая опция группирует многие предварительно заданные параметрические изменения геометрии и частоты, выполняет решение для выбранных параметров на отдельном компьютере и затем объединяет полученные данные. Это очень сильно ускоряет параметрические исследования и процесс оптимизации конструкций.
Возможности ANSYS HFSS
- Наличие «кнопок» для представления данных в виде:
- S-параметров (униполярных, дифференциальных, выделенных для отдельного компонента конструкции, перенормированных);
- Y и Z-матриц. - Вычисление волнового сопротивления и мод колебаний для портов на основе расчета собственных типов колебаний в двухмерном приближении для E и H-полей, плотностей токов, потерь в материалах, добротностей, потерь на излучение.
- Расчет полей антенн (направленности, усиления, ширины диаграммы направленности, уровней боковых лепестков, коэффициента эллиптичности и др.).
- Вычисление удельной поглощенной мощности (SAR).
- Точное качание частоты в широком диапазоне с прецизионным учетом влияния рассеивающих портов, материалов и скин-эффекта.
- Прямые и итерационные алгоритмы матричных вычислений (32 и 64-разр.).
- Порты для антенных решеток, частотно-избирательные поверхности (FSS) и другие периодические структуры.
- Матричные вычисления собственных мод колебаний (32 и 64-разрядные), в т.ч. с периодическими граничными условиями для бегущих волн и узкополосных структур.
- Широкие возможности интеграции с системами автоматизированного проектирования (CAD), коррекции моделей, автоматического распознавания особенностей с контролем разрешения вычислительной сетки.
- Опция полноволнового выделения компонентов SPICE-моделей, обеспечивающая интеграцию с пакетами Nexxim, HSPICE, Spectre RF и MATLAB.
- Параллельное выполнение сеточных алгоритмов и поствычислительных операций:
- широкополосного интерполирующего качания частоты;
- нахождения дебаевских частот для многополюсников;
- создание материалов с заданными свойствами на основе модели многополюсника с дебаевскими частотами;
- параллельных вычислений для процесса восстановления поля порта.