从芯片到船舶：通过HFSS突破大型系统求解挑战

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

作者：Matt Commens | Ansys首席产品经理（HFSS）

编辑整理：褚正浩 | Ansys中国高级应用工程师

自Ansys 2021 R1版本中推出Ansys HFSS网格融合功能，这让我想起了20多年前首次使用HFSS软件时的惊喜。在我看来，此次HFSS网格融合功能是自HFSS诞生以来的最大进步。我之所以这么说，是因为它将赋予HFSS网格划分和求解我难以想象的复杂设计的能力。

1999年当时我在加州的一家天线初创公司工作时，第一次使用HFSS来仿真蓝牙、Wi-Fi和移动天线。我当时的反应是：“真是相见恨晚！” HFSS所提供的仿真精度以及洞察彻底震撼了我。

Ansys HFSS网格融合功能可以仿真PCB、组件和大型系统

在使用HFSS之前，了解天线的运转方式需要投入大量时间、资金和资源的测量方法，这些方法只能间接提供有关电磁场的信息。但借助HFSS，我不仅能真正看到电磁场，还可以看到天线发射的电磁波，这种额外的电磁场信息在实验室中很难提取，它大幅加速了我们的设计流程。而且，在自动自适应网格划分技术的帮助下，仿真精度也达到了难以置信的水平。我记得分析了蓝牙天线的远场模式，用红色绘制测量数据，用蓝色绘制HFSS结果，结果得到一条紫色的线。此后，我极度信赖HFSS，并于2001年加入Ansoft。从那以后，Ansoft与Ansys一直密切合作，随后Ansys在2008年收购了这家公司。

在随后几年中，我欣喜地看到Ansys HFSS的所有改进，例如全新界面以及新的求解器技术。市场不断要求HFSS提供更强大、更快速的仿真功能，令我印象特别深刻的是2008年推出的域分解方法（DDM）。DDM是一种创新型求解器技术，使用网格分区跨多个（包含连网的）核心和存储器分布仿真，以求解更大、更复杂的问题，实现HFSS仿真容量按数量级扩展。然后在2014年推出的分布式内存矩阵（DMM）求解方法实现了矩阵划分求解器，从而提供直接矩阵求解器的低本底噪声和多激励效率，但具有分布式核心和存储器。

在随后几年中，其他高性能计算（HPC）技术，例如多级HPC，使HFSS能够运用更多核心、处理器和节点。在最近的2019年，HFSS实现在基于微软Azure的Ansys Cloud上运行，允许HFSS用户访问几乎无限的计算能力，以求解最复杂且最具挑战性的问题。HFSS最近利用Ansys Cloud的计算能力求解全射频集成电路（RFIC）前端，在容量方面创下新的里程碑。仿真该设计得到的矩阵大小接近一亿，这是在Ansys Cloud计算资源上利用这些求解器取得的重大进展，表明HFSS有能力求解极其庞大且复杂的设计。

使用Ansys HFSS轻松对任何大型复杂电磁系统的场进行网格划分并绘制，例如带有封装、PCB、线缆和天线的无人机

更短的产品生命周期、更丰富的产品功能以及更高的数据速率和频率，对工程师而言向市场交付产品变得愈加困难。从我在1999年仿真蓝牙天线开始，设计已经取得了长足的发展。HFSS用户现在分析的设计与整个256单元5G毫米波（mmWave）阵列天线一样全面。使用HFSS求解更复杂的电磁系统似乎是不二之选，例如封装中的集成电路（IC）、外壳中包含电容传感器矩阵的触摸显示器，甚至是船载多天线共址分析等较大型系统。

当然，对更大、更好、更快的追求始终会给网格划分和求解带来挑战。HFSS用户一直致力于推进网格划分和求解的可能性，例如平板电脑中的5G毫米波无线模块，或带有多个印刷电路板（PCB）的复杂系统的电磁干扰/兼容性（EMI/EMC) 研究，包括连接器和线缆。在这些大规模电磁系统中进行网格划分会更加困难，因为其几何结构高度复杂，特征尺寸跨越多个数量级。

Ansys HFSS帮助求解和绘制复杂封装、PCB、连接器和线缆系统的场

生成设计的初始网格是HFSS有限元方法（FEM）中最具技术挑战的一个方面。在生成FEM网格时，设计几何结构的多个方面都会起作用，例如它是否是类似于PCB的分层结构，或是类似于同轴连接器、线缆或外壳的3D结构，亦或是飞机或汽车这样的平台。HFSS提供的多种网格划分技术能完美解决各种设计类型。例如，具有几何结构感知能力的HFSS Phi网格剖分器能有效处理PCB、封装和IC设计中的分层结构，但是对于任何给定设计，都无法采用统一的网格划分方法。如果一款设计由多种 “类型” 构成，例如PCB上接有线缆的连接器，那么生成初始网格会相当困难。

几何结构尺度是另一个挑战。由于目前使用的频率更高，不能再安全地忽视IC与其封装中的电磁耦合。但是在如此复杂的电磁系统中，几何结构从微米到毫米的精细尺度带来网格容差方面的难题。创建一个有限元网格，在多种类型的设计中按特征尺寸的数量级进行扩展，同时真实展现几何结构的每个地方，这对工程仿真而言是一项极具挑战性的难题。

为了解决这些网格划分难题，Ansys 2021 R1推出了全新功能：Ansys HFSS网格融合功能，其专利技术使Ansys HFSS能以相同的严格度、精度和可靠性仿真更复杂设计。它通过在相同的设计中应用适合局部几何结构的特定网格划分技术来实现这一点。

仿真大型系统电磁（EM）发射示例：EMI暗室中的触摸屏电视面板

在前面带有连接器和线缆的PCB示例中，可以对PCB应用Phi网格划分技术，连接器和线缆则使用3D-optimal TAU网格剖分器。此外，还有一个优点是，不同的网格划分技术可以使用HPC资源并行运行。HFSS网格融合功能的另一个优势是，局部应用网格划分技术时，组件的网格容差由其自身尺寸决定，而不是由整个电磁系统的尺寸决定。

HFSS网格融合功能沿用与之前相同的 “电磁感知” 自适应网格划分技术并不会影响精度，因为全耦合电磁矩阵是利用每个自适应网格步并针对频率扫描中的每个点进行求解的。

HFSS网格融合功能为解决更复杂的综合电磁系统开辟了新的可能性。结合DMM的先进弹性硬件求解器技术并选择使用Ansys Cloud访问硬件（从芯片到船舶），利用HFSS和全新HFSS网格融合技术可以解决无限挑战。