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HFSS算法及应用场景简介

时间:06-09 来源:互联网 点击:

前言

相信每一位使用过HFSS的工程师都有一个疑问或者曾经有一个疑问:我怎么才能使用HFSS计算的又快又准?对使用者而言,每个工程师遇到的工程问题不一样,工程经验不能够直接复制;对软件而言,随着HFSS版本的更新,HFSS算法越来越多,针对不同的应用场景对应不同的算法。因此,只有实际工程问题切合合适的算法,才能做到速度和精度的平衡。工程师在了解软件算法的基础上,便能够针对自己的需求进行很好的算法选择。

由于当今世界计算机的飞速发展,让计算电磁学这门学科也有了很大的发展,如图1所示,从大的方面来看,我们将计算电磁学分为精确的全波算法和高频近似算法,在每一类下面又分了很多种算法,结合到HFSS软件,通过ANSYS公司40余年来坚持不懈的研发和战略性的收购,到目前为止,HFSS有FEM、IE(MoM)、DGTD、PO、SBR+等算法,本文会针对每种算法和应用场景逐一介绍,相信你看完这篇文章应该对HFSS算法和应用场景会有更深的认识。

 

 

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图1、计算电磁学

算法介绍

全波算法-有限元算法(FEM)

有限元算法是ANSYS HFSS的核心算法,已有二十多年的商用历史,也是目前业界最成熟稳定的三维电磁场求解器,有限元算法的优点是具有极好的结构适应性和材料适应性,充分考虑材料特性:趋肤效应、介质损耗、频变材料;是精确求解复杂材料复杂结构问题的最佳利器,有限元算法采用四面体网格,对仿真物体能够很好的进行还原。

FEM算法的支配方程见下图:

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图2、FEM算法支配方程

HFSS有限元算法在网格划分方面能够支持自适应网格剖分、网格加密、曲线型网格,在求解时支持切向矢量基函数、混合阶基函数和直接法、迭代法、区域分解法的强大的矩阵求解技术。

在应用领域,HFSS主要针对复杂结构进行求解,尤其是对于一些内部问题的求解,比高速信号完整性分析,阵列天线设计,腔体问题及电磁兼容等应用场景,非常适合有限元算法求解。

 

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图3、FEM算法应用场景

有限元算法结合ANSYS公司的HPC模块,ANSYS HFSS有限元算法可以进行电大尺寸物体的计算,大幅度提升仿真工程师的工作效率。针对宽带问题,FEM推出了宽带自适应网格剖分,大大提升了仿真精度。

全波算法-积分方程算法(IE)

积分方程算法基于麦克斯维方程的积分形式,同时也基于格林函数,所以可自动满足辐射边界条件,对于简单模型及材料的辐射问题,具有很大的优势,但原始的积分方程法计算量太大,很难用于实际的数值计算中,针对此问题,HFSS 中的IE算法提供了两种加速算法,一种是ACA 加速,一种是MLFMM,分布针对不同的应用类型。ACA 方法基于数值层面的加速技术,具有更好的普适性,但效率相比MLFMM 稍差,MLFMM 算法基于网格层面的加速,对金属材料,松散结构,具有更高的效率。

IE算法的支配方程见下图:

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图4、IE算法支配方程

IE算法是三维矩量法积分方程技术,支持三角形网格剖分。IE算法不需要像FEM算法一样定义辐射边界条件,在HFSS中主要用于高效求解电大尺寸、开放结构问题。与HFSS FEM算法一样,支持自适应网格技术,也可以高精度、高效率解决客户问题,同时支持将FEM的场源链接到IE中进行求解。HFSS-IE算法对金属结构具有很高的适应性,其主要应用领域天线设计、天线布局、RCS、EMI/EMC仿真等方向。

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图5、HFSS-IE天线布局仿真

高频近似算法-PO算法

FEM算法和IE算法是精确的全波算法,在超大电尺寸问题上,使用精确全波算法会造成效率的降低。针对超大电尺寸问题,ANSYS推出PO(物理光学法)算法,PO 算法属于高频算法,非常适合求解此类问题,在适合其求解的问题中,具有非常好的效率优势。

PO算法主要原理为射线照射区域产生感应电流,而且在阴影区域设置为零电流,不考虑射线追迹或多次反射,以入射波作为激励源,将平面波或链接FEM(IE)的场数据作为馈源。但由于不考虑射线的多次反射和绕射等现象,一般针对物理尺寸超大,结构均匀的物体电磁场计算,在满足精度的要求,相比全波算法效率明显提高。比如大平台上的天线布局,大型反射面天线等等。

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图6、HFSS-PO天线布局仿真

高频近似算法-SBR+算法

PO算法可以解决超大电尺寸问题的计算,但由于未考虑到多次反射等物理物体,主要用于结构均匀物理的电磁场计算。针对复杂结构且超大电尺寸问题,ANSYS通过收购Delcross公司(Savant软件)引入了SBR+算法,SBR+是在SBR算法(天线发射出射线,在表面"绘制"PO电

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