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5G系列之何谓HFSS?
 

【作者: ANSYS】2020年04月21日 星期二

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当今众多天线和微波工程师都已经把高频结构模拟器(HFSS)作为工作中必不可少的工具,本文针对HFSS技术有详尽的介绍。


电磁场有限元素和HFSS的前世今生

我们要想充分认识研究对象,过去主要有两种方法:理论分析和科学实验。而对於天线和微波装置来说,理论基础就是马克斯威尔方程组(Maxwell's equations)。以马克斯威尔方程组为核心的电磁理论,是经典物理学最引以自豪的成就之一,它展现了电磁相互作用的完美统一,并且至此广泛地应用到技术领域。



图一 : 马克斯威尔方程组被英国刊物评选为排名第一的「世上最伟大的10个公式」,我们今天所有的电子设备都离不开它。
图一 : 马克斯威尔方程组被英国刊物评选为排名第一的「世上最伟大的10个公式」,我们今天所有的电子设备都离不开它。

但是,由於实际问题的复杂性,马克斯威尔方程组求解非常复杂,只有少数问题可以直接透过解析法推导出来,广大天线和微波工程师还是要做大量的原型制作和除错。


因此,三十多年前,天线和微波工程师更像是高级钳工,虎钳、锉刀和刻刀才是手边仅有的工具,除此之外,天线工程师还要攀爬塔架,忍受酷暑严寒,刮风下雨和高强度的电磁辐射,进行外场除错,唯一能够引以为傲(安慰)的是他们能够有机会在防尘室和在有空调的房间里操作高级昂贵的微波测试仪器,这也还是八十年代後期才有的。


而改变这一切的正是HFSS...

高频结构模拟器(HFSS)是马克斯威尔方程组在全波下的数值解,采用科学运算技术求解3D结构的电磁特性。随着运算技术的发展,以科学运算为基础的模拟技术已经发展为与理论分析和科学实验并行的第三大科学支柱,并且实际成为工程设计的主要方式。


借助电脑强大的运算能力和电磁场数值演算法的理论持续发展,HFSS已经能够准确高效地解决各类工程问题,直接得到任意3D结构的电磁特性,包括辐射方向图、S 叁数和场域分布等结果,帮助工程师们直觉地洞察设计核心,彻底摆脱复杂的理论推导和费时费力的原型除错。


所以,当今众多天线和微波工程师都已经把HFSS作为工作中必不可少的工具,成为设计流程的一部分,透过模拟,确定设计方案并进行叁数最隹化和细调,然後进行加工,基本不用除错就能达到技术指标,很多高难度、高指标的天线和微波装置在HFSS的帮助下实现设计成功。HFSS从此成为天线和微波设计的利器。


HFSS在电磁场有限元素分析的技术突破

经典的HFSS采用的是有限元素法(Finite Element Method;FEM)。


在电脑和数值演算法发展的早期,所有的工程演算法皆针对前端的国防、航空航太与核能,有限元素法最早用於结构应力问题的数值求解。


卡内基美隆大学教授、Ansoft 创始人兼CTO Zoltan J. Cendes博士经过研究,解决了有限元素用於运算电磁学的关键问题,使得电磁场有限元素演算法得以快速发展,成功地应用於工程设计中,在孙定国博士(Din Kow Sun),李金发教授(Jin-fa Lee)和赵克钟博士的进一步钻研下,取得了多项重要技术突破,奠定HFSS软体在高频电磁场模拟领域的领导地位,也成为产业黄金工具和标准,包括:


切向量有限元素和高阶有限元素技术

切向量有限元素技术成功解决电磁场有限元素运算时的伪解问题,确保结果的正确性,并降低软体的操作难度,电磁场有限元素从理论走向工程实用。高阶有限元素方法及後续发展的混合解决技术有效地减少网格数量,求解效率显着提升。



图二 : 用HFSS运算GE微波炉加热火鸡,这是HFSS研发早期的谘询专案,Cendes博士运用切向量有限元素技术成功解决电磁场有限元素求解中的伪解问题,并进一步发展高阶有限元素法和混合演算法。
图二 : 用HFSS运算GE微波炉加热火鸡,这是HFSS研发早期的谘询专案,Cendes博士运用切向量有限元素技术成功解决电磁场有限元素求解中的伪解问题,并进一步发展高阶有限元素法和混合演算法。

自适应网格剖分技术

「物理定义了网格,而非相反!」(Physics defines the mesh not the other way around)自适应网格剖分是在按照几何结构和边界条件网格自动生成的基础上,根据电场梯度进行自适应网格细化和剖分,经过几次叠代,直接给出满足精度要求的结果,大大简化电磁场模拟的难度,使得电磁场模拟真正工程化,即使不懂有限元素者亦可运用HFSS得到高精度的模拟结果,这和传统的结构模拟有本质的区别。


结构有限元素模拟工程师经常感叹:「人生的一半时间在做网格」,而HFSS电磁场模拟工程师基本上不用做任何网格剖分操作,可以将注意力完全放在如何得到好的设计结果,而不是反覆尝试网格剖分,以获得更好、更可信的模拟结果。



图三 : HFSS自适应求解过程:自动生成初始网格,网格加密细化叠代,直到收敛。可以看到,对精度影响大的区域网格密度更高,不仅降低了软体使用难度,还大大减少了求解所需的网格数量,提升内存和时间效率。目前为止,将自适应网格剖分作为求解默认选项并成熟应用於工程问题还是只有ANSYS电磁场工具
图三 : HFSS自适应求解过程:自动生成初始网格,网格加密细化叠代,直到收敛。可以看到,对精度影响大的区域网格密度更高,不仅降低了软体使用难度,还大大减少了求解所需的网格数量,提升内存和时间效率。目前为止,将自适应网格剖分作为求解默认选项并成熟应用於工程问题还是只有ANSYS电磁场工具

有限元素直接矩阵求解技术

在HFSS研发早期,受限於昂贵且有限的电脑储存资源,第一个版本的矩阵求解器(matrix solver)采用叠代法,但是求解经常不收敛导致无法得到模拟结果。经过研究与改进,有效地提升电磁场有限元素直接矩阵求解器的内存和时间效率,确保了HFSS的强韧性。



图四 : HFSS求解手机天线与人体效应。直接求解器需要更多的内存,但求解精确度和稳定性更好。研发人员一直致力於改进有限元素直接矩阵求解器,从HFSS v12开始,推出改进後的叠代矩阵求解器,内存效率和求解强韧性显着提升
图四 : HFSS求解手机天线与人体效应。直接求解器需要更多的内存,但求解精确度和稳定性更好。研发人员一直致力於改进有限元素直接矩阵求解器,从HFSS v12开始,推出改进後的叠代矩阵求解器,内存效率和求解强韧性显着提升

超限元素法(Transfinite Element Method)

提供了准确有效的端囗网络的叁数提取(S、Y 和 Z 叁数)。端囗处的场域分布可以根据波导的本质模态展开,每个模式可看作端囗面的基本函数,这些模式从本质而言是端囗面的基本解或格林函数,透过端囗的2D固有函式求解,得到准确的传输线特性和端囗特性,这也是HFSS求解准确可靠的重要原因。



图五 : 超限元素法求解传输线精度高、速度快,即使网格比较丑陋,亦可得到高精度的S叁数结果
图五 : 超限元素法求解传输线精度高、速度快,即使网格比较丑陋,亦可得到高精度的S叁数结果

区域分解法(Domain Decomposition Method)

采用「分而治之」的方法,将大规模的电磁场有限元素问题划分成若干区域,分别进行求解,透过在相邻子区域之间设置适当的边界条件,确保电磁场的连续性和求解结果的准确性。由於各个子区域可以在不同的电脑上进行平行求解,因而可以充分运用最新的平行运算技术,在大大提升求解效率同时,突破单一运算节点资源的限制,提高运算规模。



图六 : HFSS区域分解法:自动分区域,自动区域间叠代,使得HFSS能够进行大规模问题的平行运算并保持精确度
图六 : HFSS区域分解法:自动分区域,自动区域间叠代,使得HFSS能够进行大规模问题的平行运算并保持精确度

多演算法混合求解与平行求解

有限元素法适合求解复杂结构,而积分方程法更适合求解结构简单同时有电大尺寸的问题;但是,实际的工程问题往往同时包含了这两类结构,单一演算法都无法很好解决。在DDM技术的基础上,HFSS实现了积分方程式、弹跳射线法与有限元素法和自动混合求解和并行,从而扬长避短,为这类问题提供了独有的高效精确方法。



图七 : 反射面天线的多演算法混合运算:复杂的天线??电采用有限元素法,外围的辐射边界定义为FEBI (有限元素积分边界条件),而反射面本身和金属支撑结构则定义为IE区域,大大减少运算规模,同时,这些不同的区域在求解中会进行叠代,从而考虑他们之间的耦合遮挡等电磁效应
图七 : 反射面天线的多演算法混合运算:复杂的天线??电采用有限元素法,外围的辐射边界定义为FEBI (有限元素积分边界条件),而反射面本身和金属支撑结构则定义为IE区域,大大减少运算规模,同时,这些不同的区域在求解中会进行叠代,从而考虑他们之间的耦合遮挡等电磁效应

有限大阵列天线与非匹配网格技术

阵列天线是典型的「结构复杂同时又电大尺寸」的问题,传统方法无法有效求解。 HFSS创造性地采用区域分解法,充分运用天线周期性带来的重复度,把无限大阵列的结果作为初始矩阵,透过叠代,快速得到有限大阵列的辐射特性,并充分考虑元素互耦、边缘效应等阵列天线设计的关注点。进一步地,运用3D元件技术(3D Component),结合非匹配网格电磁场求解演算法,实现了对非规则阵列问题的高效精确求解。



图八 : 运用DDM运算有限大阵列,这样一个6400单元的有限大阵列天线,合成激励求解时间不到90分钟,内存消耗约为16GB
图八 : 运用DDM运算有限大阵列,这样一个6400单元的有限大阵列天线,合成激励求解时间不到90分钟,内存消耗约为16GB

作为一款以马克斯威尔理论为基础的数值模拟运算工具,HFSS的发展不仅依赖於电脑技术的快速发展,同时还要依靠高水平的研发人员进行深入的理论研究,不断进行技术突破,解决最新的、最具挑战性的实际工程问题。


基於马克斯威尔理论已经衍生出多种数值演算法和基於这些算法的模拟工具,所有模拟工具都可以展示出许多案例,说明模拟结果和实测结果的准确度,但是HFSS之所以能够成为广大微波通讯工程师和高速封装、PCB、连接器设计者最广泛使用的工具,成为产业标准和黄金工具,并不是因为HFSS是第一个进入市场的高频磁场模拟工具,也不是简单地说HFSS市场推广做得好或者是售後服务做的好,核心的原因在於其精确度、求解结果的可靠性和可信度、与工程问题和产业应用的紧密结合。


电磁场有限元素和HFSS发展大事记

· 1967年:P Silverster 发表第一篇电磁场有限元素法论文


· 1969年:M. V. K. Chari and P. Silvester发表第一篇采用有限元素法求解非线性静磁场问题论文


· 1970年:P. Daly,Z. Cendes and P. Silvester分别发表论文,发现了有限元素伪解问题


· 1970年代:Zoltan Cendes在GE从事运算电磁学研究,发表论文“Magnetic field computation using Delaunay triangulation and complementary finite element methods” 提出了有限元素电磁场运算的自动网格生成方法


· 1984年:Zoltan Cendes博士在任职CMU期间,创建Ansoft 公司,推出第一代电磁场有限元素法模拟软体,主要用於电机和变压器的电磁分析。直到1989年,Ansoft 还是全球唯一的商业化电磁模拟运算工具。


在Zoltan J Cendes 教授、孙定国博士(Din Kow Sun)、李金发教授(Jin-fa Lee)和赵克钟博士的努力下,HFSS在有限元素法发展历程上的这些关键核心技术突破,支撑HFSS的超高精确度保障和客户认可度。随着研发的进展,尤其是核心研发人员赵克钟博士团队的研发推进,针对新一代雷达和通信系统大规模电磁运算的需求和阵列天线设计需要,提出并实现多项运算电磁学界领先的新技术和新手段,包括区域分解法、有限大阵列算法,非规则有限大阵列算法等,为工业界的诸多问题提供了非常高效而精确的解决方案,并成功申请了多项美国专利,赵克钟博士也由於在HFSS研发的杰出成就,成为ANSYS最年轻的研发院士。


图九 : Ansoft的创始人,HFSS之父 Zoltan J Cendes教授,其身後的积分形式的马克斯威尔方程式看起来像是乐谱,充满美感
图九 : Ansoft的创始人,HFSS之父 Zoltan J Cendes教授,其身後的积分形式的马克斯威尔方程式看起来像是乐谱,充满美感

· 1988年:HP公司(Hewlett Packard公司,着名的微波测试仪器和电路设计软体公司,)寻求Ansoft开发2D和3D射频微波电磁场工具,并命名为高频结构模拟工具HFSS(High Frequency Structure Simulation)


· 1988年:Z. J. Cendes, J. F. Lee,联合发表论文“The Transfinite Element Method for Modeling MMIC Devices”超限元素法,实现了端囗特性的快速精确运算


· 1989年:Zoltan Cendes提出切向量有限元素法,解决了电磁场有限元素法的伪解问题,成功完成GE微波炉加热问题的电磁场模拟和温度运算


· 1989年:ANSYS和HP公司签署OEM协议,Ansoft 负责基於HP 9000系列工作站,开发电磁场模拟工具,HP公司在全球独家代理销售


· 1990年:开发了直接矩阵求解技术,解决了求解收敛性问题,开发了自适应网格剖分技术,排除了电子工程师使用软体的最大障碍,成功发布HFSS的第一个版本



图十 : 1990年,HFSS发布第一个版本,3D高频结构全波模拟的时代开始了。这是在微波杂志的广告和惠普公司制作的HFSS产品说明,当年,在惠普高性能工作站上,即使运用对称边界条件,运算这样一个同轴 / 波导转换器也要用16个小时
图十 : 1990年,HFSS发布第一个版本,3D高频结构全波模拟的时代开始了。这是在微波杂志的广告和惠普公司制作的HFSS产品说明,当年,在惠普高性能工作站上,即使运用对称边界条件,运算这样一个同轴 / 波导转换器也要用16个小时

· 1996年2月28日,Ansoft公司在Nasdaq成功上市,股票代号ANST,每股发行价在8美元和10美元之间,总数为150万股,市值1500万美元,而当时Ansoft的年销售额总共只有约685万美元



图十一 : HFSS的早期主要研发者:孙定国(左)和李金发(右),都是Zoltan Cendes的学生,他们的出色工作奠定了HFSS作为电磁模拟黄金工具的基础,当时还是风华正茂的青年学者
图十一 : HFSS的早期主要研发者:孙定国(左)和李金发(右),都是Zoltan Cendes的学生,他们的出色工作奠定了HFSS作为电磁模拟黄金工具的基础,当时还是风华正茂的青年学者

· 1996年:借助於上市募集的资金,Ansoft收购了MSC公司的EBU分部。没错,就是有限元素模拟当时的王者MSC公司。在上世纪九十年代,微波通讯还是航空航太与国防的专属技术,应用面非常窄,市场规模也很小,谁能预料到未来? HFSS 运算辐射问题求解,固有函式求解技术实际上都来源於此次收购。



图十二 : Ansoft 总部所在的大楼,位於匹兹堡着名的旅游景点Station Square(火车站广场),那里保留了匹兹堡作为钢城时候的记忆
图十二 : Ansoft 总部所在的大楼,位於匹兹堡着名的旅游景点Station Square(火车站广场),那里保留了匹兹堡作为钢城时候的记忆

· 1996年:Ansoft 和惠普(HP)公司HFSS OEM协议终止。惠普公司组建团队,重新开始自己的HFSS软体。由於当年HFSS并未注册商标,所以,市面上出现了两个HFSS:HP-HFSS和Ansoft HFSS。在1996到2001年期间,如果你用的HFSS版本号是5.1,5.2,到5.5,5.6,那麽,你实际上用的是HP HFSS,如果你的版本号是5.0,6.0到9.0,10.0,那麽你用的就是正确的Ansoft HFSS


· 1997年:Ansoft 收购着名的微波电路模拟公司Compact Software,与惠普(HP)公司产生了直接竞争



图十三 : Maxwell操作环境,HFSS 8.5以前的界面
图十三 : Maxwell操作环境,HFSS 8.5以前的界面

· 2001年:由惠普公司拆分出来的Agilent 公司,将其HFSS业务出售给Ansoft公司,Ansoft随即将HFSS注册为商标,结束了两个HFSS并存的局面



图十四 : ANSYS 公司的商标和高频电磁场模拟HFSS,电路模拟Designer / Nexxim 安装包从HFSSv9.0 开始,全面更新了界面
图十四 : ANSYS 公司的商标和高频电磁场模拟HFSS,电路模拟Designer / Nexxim 安装包从HFSSv9.0 开始,全面更新了界面

· 2008年3月31日,同样位於匹兹堡的着名CAE公司ANSYS 以8.32亿美元收购了Ansoft公司,停止了ANSYS Emag HF研发,以Ansoft为基础建立了电子产品业务部,继续开发HFSS等电子与电磁模拟产品,并与结构、流体模拟工具整合,实现电磁、结构、热和流体多物理场耦合模拟。透过这次收购,ANSYS得以进入高速增长的高科技、汽车与电子行业,而Ansoft上市到被收购退市,12年间,市值增长了50多倍,Ansoft 创始人兼CTO也成为了运算电磁界最富有的人。



图十五 : ANSYS 总部大楼,2015年建成,距离匹兹堡市中心大约20英里。结构和电磁产品的研发集中於此
图十五 : ANSYS 总部大楼,2015年建成,距离匹兹堡市中心大约20英里。结构和电磁产品的研发集中於此

· 2011年:HFSS推出时域有限元素法


· 2012年:HFSS推出了基於区域分解法(Domain Decomposition Method)的有限元素电磁场并行求解技术,大大扩展了HFSS的运算规模,提高了求解速度


· 2014年:HFSS推出基於DDM的有限大阵列天线求解技术,成功求解大规模阵列天线


· 2015年:HFSS推出积分方程法与有限元素法的混合求解与平行运算技术,为反射面天线、天线布局等同时包含复杂结构与电大尺寸金属结构的问题提供了高效精确的算法


· 2016年:HFSS混合算法持续改进,可以直接定义IE区域,进一步提高混合求解的效率


· 2019年:HFSS推出电磁场有限元素非匹配(non-conformal)网格求解技术,实现了对5G 阵列天线设计中常见的非规则阵列的高效求解。


结语

「罗马不是一天建成的」,天线和微波设计者从「高级钳工」转变为运用模拟工具进行产品设计的设计师,减少昂贵繁琐的样机制作和反复除错,离不开众多HFSS研发人员的努力和创造,其中的艰辛并不为外人知晓,但相信凡从事研发工作者都深有体会。


「工欲善其事,必先利其器」,HFSS可以帮助我们以更高的效率、设计出更好的产品,解决更多的难题,加入ANSYS 大家庭後,透过新的平台和持续的高强度投入,HFSS得以持续发展。今天,HFSS不仅包括了有限元素法,还提供了时域有限元素、积分方程法、物理光学法、弹跳射线法等多种电磁场算法以及固有函式求解器、特徵模式求解器、二次电子发射求解等,成为微波、天线和高速电路、封装、PCB设计者必不可少的工具!


2012年,已经退休的Zoltan Cendes教授应ACES(Applied Computational Electromagnetics Society)的邀请,进行了「运算电磁学改变了我的生活 (Computational Electromagnetics Has Changed My Life)」主题演讲。HFSS和运算电磁学,岂止改变了他的生活,也改变了我们的生活……


为了加深大家对HFSS版本更迭的了解,也深谙采用新版本软体的重要性,有效运用模拟技术解决工程和科研上的难题,在此分享由ANSYS高频团队整理的HFSS软体历届版本功能的更新明细(持续更新),供大家下载学习。



图十六 : ANSYS电磁模拟软体HFSS的版本功能更新明细
图十六 : ANSYS电磁模拟软体HFSS的版本功能更新明细

关於ANSYS HFSS用於射频和无线设计的3D电磁场模拟工具


ANSYS HFSS是一款3D电磁模拟软体,用於设计和模拟高频电磁产品,如天线、天线阵列、射频或微波元件、高速互联、滤波器、连接器、IC封装和印刷电路板等。世界各地的工程师使用ANSYS HFSS完成通信系统、雷达系统、先进驾驶辅助系统(ADAS)、卫星、物联网产品和其他高速射频及数位设备中的高频、高速电子设计。


HFSS(高频结构模拟器)将多种求解器兼蓄并包,并采用直觉式的GUI(图形用户界面),可提供绝隹的效能,帮助使用者深入洞察所有3D电磁问题。透过与ANSYS的热、结构和流体动力学工具的整合,HFSS为电子产品提供了强大而完整的多物理场分析能力,因此能确保其热和结构的可靠性。HFSS凭藉其自动自适应网格技术和尖端的求解器,再经高效能运算(HPC)技术加速,从而兼具了黄金标准的精度和可靠性,足以应对各类复杂的3D电磁模拟挑战。


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