ANSYS电磁仿真工具HFSS、SIwave和Q3D的区别详解

ANSYS下的HFSS、SIwave和Q3D的区别和应用场景,为大家做个详解。

这三个软件的分析对象上有一些区别,其中HFSS和Q3D比较类似,都支持对3D任何结构的建模和分析,最后都能得到该结构的等效电路模型;SIwave的分析对象主要还是层叠结构,是一个PCB专用的分析工具。

HFSS是针对微波、射频和SI的工具, SI分析只是它功能的一个方面,此外,它还能求解腔体、波导等的本征模;Q3D仅仅是针对SI的工具,没有别的用途;SIwave是针对PCB分析的工具,除了SI,还可以做PI和EMI分析,但是在ANSYS新的产品规划里面,SI问题将以HFSS 3D Layout来主导,SIwave正在向PI和EMI工具进行演变。

HFSS是3D全波电磁场仿真工具,基于有限元理论,对全波Maxwell方程组联合求解,理论上计算结果的准确度不受限于频率,仿真的时间步长,但是占用的计算机资源多;Q3D是准静态的2D\3D电磁场仿真工具,对电压和电流建立电路方程组求解,因此仿真的速度快,但是因为采用的是电路理论,因此只在一定的频率范围内是准确的,这个范围通常是要求结构尺寸小于求解波长的十分之一,通常建议适用的频率上限是5Gbps;SIwave是2.5D的电磁场仿真工具,它假设PCB在层叠Z方向上的电磁场是均匀分布的,因此求解的是对Z方向分量进行简化后的Maxwell方程组,要求Z方向上的结构不能有变化,因此也只在一定的频率范围内是准确的,通常要求分析对象必须拥有完整的参考平面,通常建议适用的频率上限也是5Gbps。

HFSS采用核心算法是FEM、IE和DGTD,在新的版本里面还加入了MLFMM、FETD等算法,不但能够求解频域问题,还能求解时域问题,此外,除了传统的电小尺寸求解,现在电大尺寸求解能力也有极大的提升;Q3D采用的主要是FEM、MOM和FMM方法,在新的Q3D里面还新增了PEEC(部分元件等效电路)的算法,能够分析各种三维互连结构的寄生电路;SIwave则采用了FEM和MOM的混合算法,针对TRACE这种结构采用的是MOM算法,Plane采用的是FEM,在求解效率上相比HFSS有明显的提升。

HFSS主要采用的是四面体网格,其中IE算法采用的是三角形面网格,网格的剖分和加密采用的是自适应剖分和加密技术,即根据结构顶点进行初始网格剖分,基于电场梯度变化进行网格加密,因此网格剖分和加密迭代的效率比较低,但是网格质量非常高;SIwave采用的是四面体网格和三角形网格的混合技术,对Plane采用的是四面体网格,Trace采用的三角形面网格,网格的剖分和加密采用的是新的Phi-Mesh技术,即先生成XY的三角形面网格,然后再基于面网格生成Z方向的四面体网格,这种网格的好处是质量很高,加密迭代速度快,但是应用范围有限,只能运用于平面层叠结构;Q3D采用的网格技术和HFSS完全一样。

HFSS和SIwave生成的是频域S参数模型,能直观显示互连系统在整个关心频段上的传输特性,有助于分析、解决问题,而Q3D生成的只是等效的电路模型,就是用集中参数的RLGC元件的串、并联来等效互连系统,必须把模型送入到时域仿真器后,才能看到互连系统的效果,也不能一下就能发现建模中的问题。