Ansys HFSS 3D高頻仿真軟件
多用途全波 3D 電磁（EM）仿真軟件，用于設(shè)計(jì)和仿真高頻電子產(chǎn)品，例如天線、組件、互連、連接器、IC 和 PCB。
NO.1 軟件概覽
Ansys HFSS 是一款用于設(shè)計(jì)和仿真高頻電子產(chǎn)品（例如天線、天線陣列、射頻或微波組件、高速互聯(lián)、濾波器、連接器、IC封裝和印刷電路板等）的三維電磁（EM）仿真軟件。
世界各地的工程師使用 Ansys HFSS 軟件設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)、高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、衛(wèi)星和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）產(chǎn)品的高頻、高速電子設(shè)備。
NO.2 主要特征
01.EMI/EMCF分析
Ansys Electronics Desktop 使工程師能夠輕松地將 Ansys 電磁3D和2.5D場(chǎng)求解器無(wú)與倫比的精度與 Ansys RF Option 中強(qiáng)大的電路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)解決方案相結(jié)合，以便在設(shè)計(jì)周期中盡早診斷、隔離和消除EMI和射頻問(wèn)題（RFI）。
02.復(fù)雜環(huán)境中的射頻干擾(RFI)
EMIT 與 Ansys HFSS 緊密配合，將射頻系統(tǒng)干擾分析與業(yè)界最佳電磁仿真相結(jié)合，能夠?qū)σ寻惭b的天線間耦合進(jìn)行建模。上述軟件結(jié)合而成的完整解決方案能夠可靠地預(yù)測(cè)多天線環(huán)境（具有多個(gè)發(fā)射器和接收器）中的 RFI 影響。
03.已安裝天線和射頻共址分析
在 Ansys HFSS 中，工程師可以通過(guò)高級(jí)單元仿真來(lái)仿真具有所有電磁效應(yīng)（包括互耦、陣列晶格定義、有限陣列邊緣效應(yīng)、虛擬元件和元件消隱）的無(wú)限和有限相控陣列天線。
04.射頻系統(tǒng)和電路分析+
當(dāng)與 HFSS、電路和射頻系統(tǒng)仿真技術(shù)相結(jié)合時(shí)，它可為射頻、EMI/EMC 和其它應(yīng)用創(chuàng)建端到端的高性能工作流程。
05.信號(hào)和電源完整性分析+
當(dāng)與 HFSS 結(jié)合使用時(shí)，SI Circuits 可用于分析由 PCB、電子封裝、連接器和其他復(fù)雜電子互連中的時(shí)序和噪聲容限縮小引起的信號(hào)完整性、電源完整性和 EMI 問(wèn)題。
06.加密的3D組件
憑借 HFSS 3D Layout 中的加密 3D 組件支持，企業(yè)可以共享其詳細(xì)的組件設(shè)計(jì)（連接器、天線、SMD 芯片電容器），而無(wú)需擔(dān)心幾何結(jié)構(gòu)和材料屬性等IP信息外泄。
07.Multipaction
Ansys HFSS 通過(guò) multipaction 分析得到了增強(qiáng)，它可解決由于真空中的高電場(chǎng)而導(dǎo)致?lián)舸┑碾娮蝇F(xiàn)象，從而增強(qiáng)了面向航空航天應(yīng)用和5G衛(wèi)星的解決方案。
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Ansys HFSS 主要有以下幾方面應(yīng)用：
天線設(shè)計(jì)與分析
天線性能評(píng)估： 可精確模擬各類天線，如偶極子天線、微帶天線、喇叭天線等的輻射特性、增益、方向性、阻抗匹配等性能參數(shù)，幫助工程師優(yōu)化天線設(shè)計(jì)，提高其在特定頻段和應(yīng)用場(chǎng)景下的性能 。
天線陣列設(shè)計(jì)： 用于設(shè)計(jì)和分析天線陣列，實(shí)現(xiàn)更高的增益、更窄的波束寬度以及更好的方向性，在雷達(dá)、通信基站等領(lǐng)域有重要應(yīng)用 。
射頻與微波器件設(shè)計(jì)
濾波器設(shè)計(jì)： 能夠模擬濾波器的頻率響應(yīng)、插入損耗、回波損耗等特性，助力工程師設(shè)計(jì)出滿足不同濾波需求的高性能濾波器，如低通、高通、帶通和帶阻濾波器 。
耦合器與功分器設(shè)計(jì)： 可準(zhǔn)確分析耦合器與功分器的耦合度、隔離度、插入損耗等性能指標(biāo)，優(yōu)化其設(shè)計(jì)，確保在射頻與微波系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效分配和傳輸 。
放大器與混頻器設(shè)計(jì)： 對(duì)放大器的增益、噪聲系數(shù)、線性度以及混頻器的變頻損耗、隔離度等進(jìn)行仿真分析，提高這些器件在射頻與微波電路中的性能。
高速電路與 PCB 設(shè)計(jì)
信號(hào)完整性分析： 可模擬高速信號(hào)在 PCB 上的傳輸過(guò)程，分析信號(hào)的反射、串?dāng)_、延遲等問(wèn)題，幫助工程師優(yōu)化 PCB 的布局布線，確保高速信號(hào)的完整性 。
電源完整性分析： 用于分析 PCB 上電源平面的電壓分布、電流密度等，確保電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，防止電源噪聲對(duì)電路性能的影響。
電磁兼容與干擾分析
電磁屏蔽效能評(píng)估： 可以模擬機(jī)箱、機(jī)柜等設(shè)備的電磁屏蔽效果，分析其對(duì)內(nèi)部電子設(shè)備的保護(hù)作用以及對(duì)外界電磁環(huán)境的干擾程度，如對(duì)帶有縫隙的機(jī)箱屏蔽效能進(jìn)行仿真分析，為電磁屏蔽設(shè)計(jì)提供依據(jù) 。
電磁干擾預(yù)測(cè)與抑制： 預(yù)測(cè)電子設(shè)備在工作時(shí)可能產(chǎn)生的電磁干擾，并通過(guò)仿真分析采取相應(yīng)的抑制措施，如優(yōu)化電路布局、添加屏蔽結(jié)構(gòu)等，確保設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境下能正常工作。
生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域
人體組織電磁特性研究： 模擬人體組織在不同頻段下的電磁特性，為生物醫(yī)學(xué)成像、腫瘤熱療等技術(shù)提供理論支持。
醫(yī)療器械電磁兼容性評(píng)估： 評(píng)估醫(yī)療器械如心臟起搏器、MRI 設(shè)備等的電磁兼容性，確保其在使用過(guò)程中不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不良影響，也不會(huì)受到外界電磁干擾而影響性能。
汽車與航空航天領(lǐng)域
汽車電子系統(tǒng)電磁兼容分析： 分析汽車上的各種電子設(shè)備，如車載導(dǎo)航、收音機(jī)、藍(lán)牙系統(tǒng)等之間的電磁兼容性，以及汽車在行駛過(guò)程中對(duì)外部電磁環(huán)境的影響，確保汽車電子系統(tǒng)的可靠性和安全性 。
飛機(jī)通信與導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)： 用于飛機(jī)上的通信天線、導(dǎo)航設(shè)備等的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，確保飛機(jī)在飛行過(guò)程中能與地面保持良好的通信和準(zhǔn)確的導(dǎo)航 。
多物理場(chǎng)耦合分析
電熱耦合分析： 與熱仿真工具結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng) - 熱耦合仿真分析，考慮電磁損耗所帶來(lái)的分布式焦耳熱的影響，以及溫度變化對(duì)電磁場(chǎng)性能的影響，如對(duì) hybrid ring 進(jìn)行電磁損耗和電熱雙向耦合仿真 。
結(jié)構(gòu) - 電磁耦合分析： 在一些需要考慮結(jié)構(gòu)變形對(duì)電磁性能影響的場(chǎng)景中，如可變形天線、柔性電子設(shè)備等，進(jìn)行結(jié)構(gòu) - 電磁耦合分析，確保設(shè)備在不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)下仍能保持良好的電磁性能 。
本文基于 Ansys HFSS 介紹一種協(xié)同仿真的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)定義，協(xié)同仿真是指進(jìn)行兩種或多種仿真類型來(lái)仿真整個(gè)系統(tǒng)?？梢詫⒁环N仿真結(jié)果輸入到另一種仿真工具中，類似級(jí)聯(lián)仿真場(chǎng)景。期間兩個(gè)仿真工具中的結(jié)果被雙向?qū)雽?dǎo)出，形成動(dòng)態(tài)鏈接。這些工具可以在同一個(gè)物理場(chǎng)中使用，例如電磁仿真與電路仿真相結(jié)合，或者在電磁場(chǎng)、熱場(chǎng)等物理場(chǎng)之間使用，也可以在應(yīng)力形變的結(jié)構(gòu)場(chǎng)之間使用。這樣將仿真工具組合在一起形成廣泛的協(xié)同仿真應(yīng)用。
面對(duì)天線向大陣列、有源化、系統(tǒng)化、集成化的發(fā)展趨勢(shì)，Ansys 提供了完整的陣列天線系統(tǒng)仿真體系如圖1-1。覆蓋了天線單元、天線陣列到天線射頻聯(lián)合仿真全流程。此外，Ansys 深耕多年的電磁場(chǎng)仿真可以支持非常精準(zhǔn)的參數(shù)模型提取，例如對(duì)系統(tǒng)里的濾波器等無(wú)源器件進(jìn)行抽取，與天線構(gòu)成更大規(guī)模的場(chǎng)路協(xié)同仿真，并進(jìn)行散熱分析和可靠性分析。
以 5G 天線應(yīng)用為例如圖1-2，5G 天線需要高增益相控陣，因此電磁場(chǎng)仿真與電路仿真結(jié)合以實(shí)現(xiàn)相位匹配和阻抗匹配。無(wú)論是與饋電網(wǎng)絡(luò)還是與另一個(gè)信號(hào)線路耦合，都是為了更好地實(shí)現(xiàn)增益最大化。除此以外，我們還需要關(guān)心來(lái)自其他組件和環(huán)境的熱量對(duì)天線性能造成的影響，這種情況下就需要添加熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力的仿真。對(duì)于醫(yī)療應(yīng)用如圖1-3，在多元件的 MRI 研發(fā)過(guò)程種，HFSS 結(jié)合 Circuit 可以對(duì) MRI 線圈進(jìn)行調(diào)諧，無(wú)論是電場(chǎng)還是磁場(chǎng)都需要進(jìn)行近場(chǎng)調(diào)諧并計(jì)算人體比吸收率（SAR 值）。因?yàn)樘砑咏M件會(huì)影響器件設(shè)計(jì)，當(dāng)我們?cè)?MRI 中添加人體，這將再次影響到線圈的調(diào)諧，這需要對(duì)器件在電磁場(chǎng)和電路之間進(jìn)行雙向仿真。在對(duì)協(xié)同仿真的作用和應(yīng)用有一定了解后，本文將基于 HFSS 與 Circuit 針對(duì)天線匹配調(diào)諧的協(xié)同仿真進(jìn)行介紹。
