Ansys HFSS
功能
應用
案例
Ansys HFSS 3D高頻仿真軟件
多用途全波 3D 電磁(EM)仿真軟件,用于設計和仿真高頻電子產品,例如天線、組件、互連、連接器、IC 和 PCB。
NO.1 軟件概覽
Ansys HFSS 是一款用于設計和仿真高頻電子產品(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 軟件設計通信系統(tǒng)、高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、衛(wèi)星和物聯(lián)網(IoT)產品的高頻、高速電子設備。
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場求解器無與倫比的精度與 Ansys RF Option 中強大的電路級和系統(tǒng)級解決方案相結合,以便在設計周期中盡早診斷、隔離和消除EMI和射頻問題(RFI)。
02.復雜環(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合,能夠對已安裝的天線間耦合進行建模。上述軟件結合而成的完整解決方案能夠可靠地預測多天線環(huán)境(具有多個發(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,工程師可以通過高級單元仿真來仿真具有所有電磁效應(包括互耦、陣列晶格定義、有限陣列邊緣效應、虛擬元件和元件消隱)的無限和有限相控陣列天線。
04.射頻系統(tǒng)和電路分析+
當與 HFSS、電路和射頻系統(tǒng)仿真技術相結合時,它可為射頻、EMI/EMC 和其它應用創(chuàng)建端到端的高性能工作流程。
05.信號和電源完整性分析+
當與 HFSS 結合使用時,SI Circuits 可用于分析由 PCB、電子封裝、連接器和其他復雜電子互連中的時序和噪聲容限縮小引起的信號完整性、電源完整性和 EMI 問題。
06.加密的3D組件
憑借 HFSS 3D Layout 中的加密 3D 組件支持,企業(yè)可以共享其詳細的組件設計(連接器、天線、SMD 芯片電容器),而無需擔心幾何結構和材料屬性等IP信息外泄。
07.Multipaction
Ansys HFSS 通過 multipaction 分析得到了增強,它可解決由于真空中的高電場而導致?lián)舸┑碾娮蝇F(xiàn)象,從而增強了面向航空航天應用和5G衛(wèi)星的解決方案。
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Ansys HFSS 主要有以下幾方面應用:
天線設計與分析
天線性能評估: 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)化天線設計,提高其在特定頻段和應用場景下的性能 。
天線陣列設計: 用于設計和分析天線陣列,實現(xiàn)更高的增益、更窄的波束寬度以及更好的方向性,在雷達、通信基站等領域有重要應用 。
射頻與微波器件設計
濾波器設計: 能夠模擬濾波器的頻率響應、插入損耗、回波損耗等特性,助力工程師設計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 。
耦合器與功分器設計: 可準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,優(yōu)化其設計,確保在射頻與微波系統(tǒng)中實現(xiàn)信號的有效分配和傳輸 。
放大器與混頻器設計: 對放大器的增益、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 設計
信號完整性分析: 可模擬高速信號在 PCB 上的傳輸過程,分析信號的反射、串擾、延遲等問題,幫助工程師優(yōu)化 PCB 的布局布線,確保高速信號的完整性 。
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,防止電源噪聲對電路性能的影響。
電磁兼容與干擾分析
電磁屏蔽效能評估: 可以模擬機箱、機柜等設備的電磁屏蔽效果,分析其對內部電子設備的保護作用以及對外界電磁環(huán)境的干擾程度,如對帶有縫隙的機箱屏蔽效能進行仿真分析,為電磁屏蔽設計提供依據 。
電磁干擾預測與抑制: 預測電子設備在工作時可能產生的電磁干擾,并通過仿真分析采取相應的抑制措施,如優(yōu)化電路布局、添加屏蔽結構等,確保設備在復雜電磁環(huán)境下能正常工作。
生物醫(yī)學領域
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)學成像、腫瘤熱療等技術提供理論支持。
醫(yī)療器械電磁兼容性評估: 評估醫(yī)療器械如心臟起搏器、MRI 設備等的電磁兼容性,確保其在使用過程中不會對人體產生不良影響,也不會受到外界電磁干擾而影響性能。
汽車與航空航天領域
汽車電子系統(tǒng)電磁兼容分析: 分析汽車上的各種電子設備,如車載導航、收音機、藍牙系統(tǒng)等之間的電磁兼容性,以及汽車在行駛過程中對外部電磁環(huán)境的影響,確保汽車電子系統(tǒng)的可靠性和安全性 。
飛機通信與導航系統(tǒng)設計: 用于飛機上的通信天線、導航設備等的設計與優(yōu)化,確保飛機在飛行過程中能與地面保持良好的通信和準確的導航 。
多物理場耦合分析
電熱耦合分析: 與熱仿真工具結合,實現(xiàn)電磁場 - 熱耦合仿真分析,考慮電磁損耗所帶來的分布式焦耳熱的影響,以及溫度變化對電磁場性能的影響,如對 hybrid ring 進行電磁損耗和電熱雙向耦合仿真 。
結構 - 電磁耦合分析: 在一些需要考慮結構變形對電磁性能影響的場景中,如可變形天線、柔性電子設備等,進行結構 - 電磁耦合分析,確保設備在不同結構狀態(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)同仿真的設計方法。根據定義,協(xié)同仿真是指進行兩種或多種仿真類型來仿真整個系統(tǒng)??梢詫⒁环N仿真結果輸入到另一種仿真工具中,類似級聯(lián)仿真場景。期間兩個仿真工具中的結果被雙向導入導出,形成動態(tài)鏈接。這些工具可以在同一個物理場中使用,例如電磁仿真與電路仿真相結合,或者在電磁場、熱場等物理場之間使用,也可以在應力形變的結構場之間使用。這樣將仿真工具組合在一起形成廣泛的協(xié)同仿真應用。
面對天線向大陣列、有源化、系統(tǒng)化、集成化的發(fā)展趨勢,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 深耕多年的電磁場仿真可以支持非常精準的參數(shù)模型提取,例如對系統(tǒng)里的濾波器等無源器件進行抽取,與天線構成更大規(guī)模的場路協(xié)同仿真,并進行散熱分析和可靠性分析。
以 5G 天線應用為例如圖1-2,5G 天線需要高增益相控陣,因此電磁場仿真與電路仿真結合以實現(xiàn)相位匹配和阻抗匹配。無論是與饋電網絡還是與另一個信號線路耦合,都是為了更好地實現(xiàn)增益最大化。除此以外,我們還需要關心來自其他組件和環(huán)境的熱量對天線性能造成的影響,這種情況下就需要添加熱應力和結構應力的仿真。對于醫(yī)療應用如圖1-3,在多元件的 MRI 研發(fā)過程種,HFSS 結合 Circuit 可以對 MRI 線圈進行調諧,無論是電場還是磁場都需要進行近場調諧并計算人體比吸收率(SAR 值)。因為添加組件會影響器件設計,當我們在 MRI 中添加人體,這將再次影響到線圈的調諧,這需要對器件在電磁場和電路之間進行雙向仿真。在對協(xié)同仿真的作用和應用有一定了解后,本文將基于 HFSS 與 Circuit 針對天線匹配調諧的協(xié)同仿真進行介紹。