重新认识HFSS | 突破性混合算法技术更新及应用
2020年11月19日 11:25随着5G、无人驾驶、物联网、人工智能等新兴技术以及航空、航天科技的飞速发展，越来越多的新技术、新产品在持续改变着我们的生活。
对于产品研发，仿真已经成为技术创新的重要推动力，仿真技术已经支持面向所有产品的全生命周期中的所有学科的持续仿真。在无处不通信的信息时代，电磁场仿真也已经成为各类电子产品研发中的重要环节。复杂的产品设计、多样的应用场景使得电磁场仿真面临诸多挑战：
越来越复杂的材料和应用场景；
大量精细小尺寸结构与大尺寸结构并存的多尺度问题；
电大及超电大问题；
全物理域协同及一体化仿真；
面对复杂的电磁场仿真挑战，作为电磁场仿真黄金标准的HFSS软件一直在网格技术、核心算法以及并行计算等层面，为实现高精度、高效率以及低资源消耗的目标提供一流的解决方案。
HFSS持续的技术更新
11月19日下午4点，Ansys系列网络研讨会『电磁场仿真黄金工具HFSS的关键技术』将推出——HFSS突破性混合算法技术更新与应用介绍，将聚焦混合算法，带您感受全新的HFSS及其酷炫的大尺度应用案例。欢迎报名！
网格技术、求解技术、核心算法是高精度、高效率电磁仿真的三大因素，HFSS持续在这三个领域进行技术突破，在求解过程的整个环节上进行优化、改进和创新，为各类复杂问题提供高效的解决方案。下面来细数各环节的重要技术更新，以帮助大家能更好地理解软件革新，融会贯通，进而提高仿真效率。
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网格技术
“所有的计算都是针对网格”，因此网格的质量、生成效率是电磁仿真的基础，然而对于普通使用者更关心的是产品设计、材料定义、求解选择、优化并得到正确的结果。HFSS的自适应网格剖分正是基于这样的理念，用户无需去手动剖分和调整网格，软件通过迭代在需要更密网格来精确模拟场分布的区域自动加密网格，最终为计算提供一个精确的、高效的网格。
a) 准确的网格-宽带自适应网格技术
HFSS的自适应网格技术需要定义网格精度迭代的频率点，对于天线等谐振结构和工作频段清晰的模型，通过定义单个频点即可得到准确的计算网格。然而对于某些多频段谐振的结构，通过单一的频率定义不能精确得到整个频段的计算结果，此时可以利用HFSS的宽频带自适应网格技术同时在多个频点进行自适应细化网格来得到准确的宽频段计算网格。
宽带自适应网格技术
b) 网格复用、装配与多尺度问题的剖分
对于复杂问题的自适应网格生成往往非常耗时，例如在一个典型的多尺度问题中：高频天线的细节结构尺寸为毫米级别，而平台的尺寸为米级别，最大特征和最小特征之间的差别达到5个数量级，导致网格剖分困难甚至失败。
HFSS利用3D Component实现模型装配和组件独立的网格剖分，解决了边宽比过大以及模型多尺度网格剖分问题，同时每个组件自身自适应迭代后的网格可以复用，在阵列天线以及天线布局分析中能够显著提高计算效率。
HFSS 3D Component 网格装配
HFSS 3D Component 网格复用与天线布局
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求解技术
求解技术指如何更快、更省资源的计算求解各类矩阵，HFSS支持直接求解（Direct Solver）、迭代求解（Iterative Solver）和区域分解法（Domain Decomposition）。直接求解通常适合中等规模矩阵问题以及包含大量右边项（大量不同激励）的问题，而对于大规模矩阵问题，迭代求解可以极大降低内存需求。对用户来讲，利用迭代求解即可实现在现有硬件资源下，更快的计算更大规模问题。
a) 新一代迭代矩阵求解器
HFSS自2020 R1版本起推出了全新一代的迭代求解器，其计算速度更快、稳定性更高、内存资源消耗更小。因此对于大尺寸问题，计算效率将显著提升，在下面的案例测试中，求解时间将加速2倍以上。
HFSS 2020 R1版本中新一代的迭代求解器加速2.2~4.6倍
b) 大规模问题计算利器-区域分解法
HFSS的区域分解法DDM支持利用多台机器的分布式内存来求解更大规模的问题。DDM将模型网格分解为多个求解子域，每个子域在不同的单个或多个计算机上并行求解，最终获得全域的计算结果。HFSS的DDM方法已经在包含有限大阵列、IE Region、混合算法等多个领域广泛应用。HFSS突破性的将DDM与核心算法融合，实现更高效的计算。
HFSS 区域分解法DDM在有限阵列及混合算法中的应用
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核心算法
电磁场核心算法直接决定了软件的计算能力和计算效率。目前HFSS已经包含了频域、时域、高频近似等多种核心算法。为了使用方便，HFSS每种算法均做到了统一的设置界面，最大限度的避免用户的重复学习。
HFSS电磁场计算核心算法体系
产品的创新和技术的进步对于仿真提出了更高的要求，仿真必须满足电路、电磁场、结构、热等多物理协同一体化仿真，而Ansys 电子桌面AEDT正是针对电子产品的多物理场仿真开发的仿真平台，在此平台下HFSS与电路仿真Designer、热仿真Icepak等可以实现更紧密、更易用的协同仿真。
a) HFSS突破性的有限大阵列仿真技术
HFSS在2020 R1版本中正式推出了基于3D Component的非规则有限大阵列计算方法CADDM。该方法解决了非规则周期性单元组阵的计算问题，采用突破性的非匹配网格技术，极大降低了计算时间和内存。
非匹配网格的阵列计算方法CADDM
b) 全修正的弹跳射线方法SBR+
弹跳射线方法SBR是一种通用且高效计算电大尺寸问题的高频近似方法，SBR混合了几何光学（GO）和物理光学（PO），SBR广泛应用于载体天线布局、大场景下天线耦合如V2X以及目标特性RCS仿真中。HFSS的SBR算法的“+”指对射线的其他物理效应进行全精度修正：物理绕射PTD效应、几何绕射UTD效应、爬行波Creeping Wave效应等进一步提高SBR的计算精度。
全精度修正的SBR+算法
c) 丰富的混合算法
面对复杂应用需求，单一算法往往无法高效、精确的计算。HFSS开发了多种混合算法，充分发挥各个核心算法以及求解技术的优势。HFSS的混合算法基于FE-BI（Finite Element – Boundary Integral）边界技术，能够将有限元FEM和积分方程法IE的优势有机整合起来，在处理开放场辐射/散射问题时获得最佳的求解效率和鲁棒性。HFSS混合算法设置非常简单，如下图所示，通过简单的Region定义即可实现混合算法定义。
HFSS的混合算法包括：
FEM与IE混合
FEM与PO混合
FEM与SBR+混合
HFSS混合算法设置
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更高效、更易用的HFSS及其多样应用
HFSS持续在以上网格技术、求解技术、核心算法等层面上进行优化和创新，通过技术的相互融合让用户有更高效、更易用的电磁场仿真体验，并持续在场路协同、电-热耦合、优化技术上改进流程，充分满足各个应用场景的仿真需求和产品创新。这些突破性的“混合”技术将为大型天线阵列、天线罩、天线布局、生物电磁、系统电磁兼容、电磁环境、V2X等应用提供高效的解决方案。欢迎体验！
11月，Ansys推出『电磁场仿真黄金工具HFSS的关键技术』专题，该系列网络研讨会一共包括6场，更多关于智能终端/家居、阵列天线仿真、场路协同仿真、HFSS中的HPC技术、HFSS中的网格技术和突破性混合算法技术将在本专题中做详细介绍，本场将向来宾详细介绍HFSS突破性混合算法技术更新与应用介绍。
会议信息
11/19
HFSS突破性混合算法技术更新与应用介绍
时间：11月19日 （星期四），16:00-17:00
活动形式：网络直播
费用：免费
简介
电磁场仿真一直面临着复杂材料、多尺度模型以及电大尺寸等问题的挑战。HFSS包含有限元、积分方程、时域算法、高频算法等技术体系。然而，针对复杂的应用场景和不断提升的仿真需求，突破性的核心技术是混合求解算法。采用混合算法+HPC，HFSS可轻松应对复杂天线阵列、天线罩、载体天线布局、复杂电磁兼容以及大场景电磁环境等高挑战技术难题。本次网络研讨会将聚焦混合算法，带您感受全新的HFSS及其酷炫的大尺度应用案例。
讲师介绍
王晓峰，高频电磁场仿真主任应用工程师，工学硕士，毕业于电子科技大学电磁场与微波技术专业。先后在Sigrity公司，EMSS公司，Altair公司从事软件开发和电磁场仿真应用支持等工作。在天线微波、目标特性及电磁兼容等领域拥有十多年的电磁仿真经验，为众多国内科研院所提供了仿真支持及咨询工作，对电磁场仿真算法体系及相关软件有系统性了解和研究。
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