ANSYS HFSS平台功能介绍
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
– 利用几何光学 (GO) 射线法，将物理光学法(PO) 扩展至多次弹跳
Scattered fields
电大尺寸结构的高效率仿真方法
6
SBR Solver: 弹跳射线法求解器
ANSYS SBR+ 技术
• 多项技术扩展 SBR
– 物理绕射理论 (PTD)
– 一致性绕射理论 (UTD)
– 爬行波 Creeping Wave
网格划分算法
→ 在需要更密的网格计算电磁场的地方，自动增加
网格单元 自适应网格划分:
→ 关键技术是确保自动化精确电磁仿真
每步自适应 迭代的网格
每步自适应 迭代的S参数
20
单频点自适应网格划分
初始网格
求解
Solution Frequency 的场
网格细化
宽带求解精度可能会与网格划分频 点的选择有关
• 对“典型”器件响应的单频点划分网格 • 并不总是可靠
S-Parameter Only
3.41 GB 9.71 GB 30.8 GB
• 4X 节省内存
• 6X 节省内存 • 在256GB RAM的机器上并行
求解8个频点 • 与保存场的求解相比 • 2x 提速 在同样的计算机硬件
上扫频
1
2
3
34
Matrix Assembly 性能提升
算法改进，增加了多线程支持
SBR
7
HFSS R18.0 中 的 SBR Region
用弹跳射线法仿真天线平台集成和布局问题
天线模块 HFSS/FEM
SBR Region
• 确认平台对辐射场的影响
8
独立 Savant R18
N×N 耦合模式:
→ 同时获得多副天线之间的远场方向图及互耦结果
提升多核加速比 GPU 加速导入近场天线的场图绘制 用户默认设置改进
9
混合区域耦合
R18 支持 FEBI, IE, 及新的耦合 SBR 区域 可以选择双向和单向耦合，新的单向耦合选项可更快获得结果
Impact of bidirectional coupling
耦合区域
求解方法 Two-Way One-Way
未知量 704,273 704,273
内存 运行时间
58.4 GB 58.0 GB
Broadband Adaptive Meshing
宽带自适应网格划分
Solve Fields at Frequency #1
初始网格
Solve Fields at Frequency #2
根据所有频点 的场细化网格
…
Solve Fields at Frequency #N
是否收敛？
多个频点网格收敛
• 仅在内存里驻留提取S参数的矩阵 • 对于不保存场的扫频求解更快速
• 每个频点提速 10-20%
• 更低内存需求
• 在可用的内存条件下HPC能够并行求解更多频点
带天线罩的 双频带叠层贴片天线
Saved Fields and S-Parameters
Saved Only S-Parameters
32
HFSS-IE & FEBI
HFSS: 有限元 Geome几try何an与d 材Ma料ter复ial杂Co度mplexity
4
HFSS 中的混合算法
5
SBR Solver: 弹跳射线法求解器
何谓 SBR ?
• SBR = Shooting and Bouncing Rays 弹跳射线法
– 高频渐进算法 • 与 HFSS 互为补充 • 适合电大尺寸问题
结果:
FEBI
− R18中单核网格划分比R17.2快35%
− R18中16核网格划分比R17.2快46%
Initial Mesh Time Mesh Seed Time Total Mesh Time
R17.2, 1 core R18, 1 core
19m, 2s
21m, 34s
5h, 32m
3h, 16m
• SBR求解器集成在HFSS中 • 同一个设计中，统一的混合区域设置 • HFSS-Savant工具
• HFSS-EMIT 工具
3
HFSS 算法求解器
R18 版本已经集成至 ANSYS Electronics Desktop
ANSYS 域分解并行及混合算法
Savant: 弹跳射线法
Elec t电ric尺a l寸 Size
26
宽带自适应网格 BAM
单频点网格
宽带自适应网格
单频点自适应网格
网格在场集中的@1950 MHz工作 频 点附近进行自适应加密
在求解频点处生成高精度网格 不保证整个宽频带的精度
宽带自适应网格
• 注意到整个多工器都进行自适应加密 • 对整个频带范围都生成高精度网格
27
结果对比
单频点 求解频点
R17.2 Classic R18 Phi
30m, 55s
30s
825MB
435MB
R18 Classic 16m, 24s 618MB
HFSS MCAD 经典网格
R17.2
R18
15m, 35s 13m, 34s
1.2GB
1.2GB
17
网格改进, 续.
模型描述: 星载阵列天线
计算资源: 16 cores
127 min 54 min
• >2X 时间节省，精度损失有限
10
IE Regions与HFSS-IE设计类型等效
单独的IE regions与HFSS-IE求解性能相同
支持端口, 半空间, 和缝隙 HFSS-IE 设计类型将在R19中退出
→ 纯IE求解只支持HFSS驱动终端求解类型
11
天线设计工具
• 用“相关网格求解”（Dependent mesh solves）确保多频点精度
• 计算消耗增大
是否收敛?
Frequency Sweep 网格收敛后
扫频求解
对其他频点扫频求解
21
网格划分该以哪个频点为准?
低频点? 中频点?
求解 Solution Frequency
的场
高频点?
最高?
腔体双工器
பைடு நூலகம்22
• 多频点Multi-Frequencies: 用户控制所有网格划分频点
29
BAM:宽带自适应网格
• HFSS 求解宽带问题最新方法 • 利用多个频点并行以得到跨越频带的自适应网格 • 为整个频带提供可靠和保证精度的网格 • HPC: 多频点计算可同时进行
30
求解器改进
31
S-Parameter Only Matrix Solve 仅求S参数的矩阵求解方式
• 多个求解频点将会 “pre-seed”扫频求解
• 扫频更快速
扫频求解
24
单频点自适应网格案例
多工器
S21 S31
Example: 腔体多工器
在单个求解频点处进行网格划分
1950MHz
• 取决于用户选择的合适的求解频点
• 有些设计在要求宽带精度时对求解频点选择很
敏感 不同求解频点网格划分
120
100
80
60
40
20
0
Test 1
Test 2
Test 3
通过MPI的分布式频率求解
Test 4
降低磁盘使用，加速求解过程
36
整体性能提升: 2017 vs. 2016
Example: Package on PCB 两个差分对 DC to 20GHz
硬件: 14-Core Intel ® Xeon® CPU E5-2683 v3@ 2.00GHz, 2 CPUs/node. 设置: 两个Node, 56 Core, Auto HPC
15
网格划分
16
网格改进
采用联合馈电网络的阵列天线
计算资源: 16 cores
这些模型: − R18的Phi网格划分快25% − Layout中的经典网格划分快47% − MCAD中的经典网格划分快13%
Layout
MCAD
Time RAM
R17.2 Phi 40s
433MB
HFSS 3D Layout
（Antenna Design Toolkit）
• 增强的易用性
• 一键完成 • 易用的树形结构
• 增加的天线类型覆盖
• 2 种新的分类 • 12个新的天线模型 • 从3D部件转换而来
12
天线设计工具（Antenna Design Kit）: 扩展库支持
18中新增的脚本: 圆锥波纹喇叭，GPS陶瓷片、高频探头、准八木天线、刀片、圆盘单极天线、垂直梯形单 极天线，椭圆基条单极子、金字塔形脊喇叭、四脊喇叭，Uda八木天线，顺序旋转2x2的圆形贴片阵列， MxN微带阵列，背腔T条馈电缝隙天线，反射器（卡塞格林，Gregorian，抛物线，防溅板） 新增/增强综合功能: 平板刀片, 波导馈电波纹锥喇叭
腔体多工器有些设计在要求宽带精度时对求解频点选择很敏感对于所有频点单频点自适应网栺并不理想单频点自适应网栺1950mhz1910mhz25宽带自适应网栺案例1950mhz1910mhz宽带自适应网栺宽带自适应网栺宽带自劢自适应网栺划分进一步扩展了单频点自劢自适应网栺划分的求解能力26宽带自适应网栺bam单频点自适应网栺网格在场集中的1950mhz工作频点附近进行自适应加密丌保证整个宽频带的精度宽带自适应网栺对整个频带范围都生成高精度网格宽带自适应网栺27结果对比求解频点28多工器对单个自适应求解频点的选取很敏感单频点自适应网格可通过链接网格的方法提高结果精度bam设置hfss自动确定合适的网格划分频点多频点multifrequencies
14
EMIT 18.0 亮点, 续…
新的雷达调制
基于NTIA雷达频谱工程标准模型(RSEC); CW, FM-CW, FMpulse, 用于相位编码和跳频雷达系统的非调频脉冲.
自定天线对之间的 “Fixed” 耦合
用户自定义天线对之间多频段耦合
用户定义的天线耦合表
自定任意天线对间的耦合
Tx emission mask compliant with NTIA RSEC
13
EMIT 18.0亮点
Nexxim-EMIT 数据链接
EMIT Tx 行为模型可从详细的Nexxim设计自动创建
详细RF系统/射 频电路模型
新的 Nexxim-EMIT 数据链接将PSDP数 据转换为EMIT射频
模型
用Nexxim数据创 建的射频模型启
动EMIT
扩展的GPU支持和性能优化
GPU 现在支持包括Tesla K‐Series, Quadro K‐Series, Quadro M‐Series, 和 GeForce GTX Series.
1910MHz
• 不同工作频点，场特性明显不一样
• 对于所有频点，单频点自适应网格并不理想
单频点自适应网格
25
宽带自适应网格案例
1950MHz
1910MHz
宽带自适应网格
宽带自适应网格
利用HPC，同时在多个频点进行自适应网格细化 宽带自动自适应网格划分，进一步扩展了单频点自动自适应网格划分的求解能力
多工器对单个自适应求解频点的选取很敏感
高频段与宽带自适应网格很一致，因为求解频点选择在此段 低频段结果不准确，单频点自适应网格只能保证求解频点附近的场精度 单频点自适应网格可通过“链接网格”的方法，提高结果精度
28
BAM 设置
• 宽带Broadband：用户设定高低频点
• HFSS 自动确定合适的网格划分频点
6h, 27m
4h, 11m
R18, 16 cores 16m, 53s 2h, 51m 3h, 30m
大型面结构上 采用曲面单元
18
宽带自适应网格（BAM）
19
Adaptive Meshing: HFSS 的基石
自动自适应网格划分 Automatic Adaptive Meshing
→ 自动、精确、高效、可靠的解决方案
S-Parameter Only 矩阵求解: 并非近似，可获得相同结果
33
S-Parameter Only 矩阵求解案例
• 更快速求解，且明显节省内存 = 更多频点并行求解 • 多频点并行求解几乎是线性的，因此提速效果显著
Problem #
1 2 3
S-Parameter and Fields
13.5 GB 39.4 GB 188 GB
Example: 64 单元 (8X8) 蝶形天线阵 01:15 vs. 00:43 = 74% 提速
R18 R17
35
显著的性能增强
改进的Matrix Assembly，包括多线程支持
总时间(min)
200
180 160 140
HFSS17 HFSS18 (1-core) HFSS18 (2-core) HFSS18 (4-core)
1 CPU Core, 采用/不采用GPU
运行时间(分钟)
No GPU
GPU
Speedup*
Project #1 233.3
16.7
14
Project #2
41.7
3.3
13
Project #3
15.5
6.8
2
Project #4
41.7
2.8
15
Project #5
18.3
1.1
17
* Some models benefit more from multi-cores than GPU (and vice versa). actual speedup depends heavily on the model configuration. Some models may not benefit significantly from HPC. Cases shown here are intended to show potential speedups for certain model types.
ANSYS HFSS R18平台功能介绍
天线和无线系统
2
天线和无线系统
天线安装性能
性能 & 精度
• 宽频带自适应网格划分 • 基于MPI的频率扫描
天线设计流程 3D部件装配
混合算法 & SBR+ RF 环境
• 天线设计工具（ADK）增强 • 新增的天线模型天线安装性能
• 部件浏览器 • 编辑加密部件 • 部件数据保护
Scattered fields
电大尺寸结构的高效率仿真方法
6
SBR Solver: 弹跳射线法求解器
ANSYS SBR+ 技术
• 多项技术扩展 SBR
– 物理绕射理论 (PTD)
– 一致性绕射理论 (UTD)
– 爬行波 Creeping Wave
网格划分算法
→ 在需要更密的网格计算电磁场的地方，自动增加
网格单元 自适应网格划分:
→ 关键技术是确保自动化精确电磁仿真
每步自适应 迭代的网格
每步自适应 迭代的S参数
20
单频点自适应网格划分
初始网格
求解
Solution Frequency 的场
网格细化
宽带求解精度可能会与网格划分频 点的选择有关
• 对“典型”器件响应的单频点划分网格 • 并不总是可靠
S-Parameter Only
3.41 GB 9.71 GB 30.8 GB
• 4X 节省内存
• 6X 节省内存 • 在256GB RAM的机器上并行
求解8个频点 • 与保存场的求解相比 • 2x 提速 在同样的计算机硬件
上扫频
1
2
3
34
Matrix Assembly 性能提升
算法改进，增加了多线程支持
SBR
7
HFSS R18.0 中 的 SBR Region
用弹跳射线法仿真天线平台集成和布局问题
天线模块 HFSS/FEM
SBR Region
• 确认平台对辐射场的影响
8
独立 Savant R18
N×N 耦合模式:
→ 同时获得多副天线之间的远场方向图及互耦结果
提升多核加速比 GPU 加速导入近场天线的场图绘制 用户默认设置改进
9
混合区域耦合
R18 支持 FEBI, IE, 及新的耦合 SBR 区域 可以选择双向和单向耦合，新的单向耦合选项可更快获得结果
Impact of bidirectional coupling
耦合区域
求解方法 Two-Way One-Way
未知量 704,273 704,273
内存 运行时间
58.4 GB 58.0 GB
Broadband Adaptive Meshing
宽带自适应网格划分
Solve Fields at Frequency #1
初始网格
Solve Fields at Frequency #2
根据所有频点 的场细化网格
…
Solve Fields at Frequency #N
是否收敛？
多个频点网格收敛
• 仅在内存里驻留提取S参数的矩阵 • 对于不保存场的扫频求解更快速
• 每个频点提速 10-20%
• 更低内存需求
• 在可用的内存条件下HPC能够并行求解更多频点
带天线罩的 双频带叠层贴片天线
Saved Fields and S-Parameters
Saved Only S-Parameters
32
HFSS-IE & FEBI
HFSS: 有限元 Geome几try何an与d 材Ma料ter复ial杂Co度mplexity
4
HFSS 中的混合算法
5
SBR Solver: 弹跳射线法求解器
何谓 SBR ?
• SBR = Shooting and Bouncing Rays 弹跳射线法
– 高频渐进算法 • 与 HFSS 互为补充 • 适合电大尺寸问题
结果:
FEBI
− R18中单核网格划分比R17.2快35%
− R18中16核网格划分比R17.2快46%
Initial Mesh Time Mesh Seed Time Total Mesh Time
R17.2, 1 core R18, 1 core
19m, 2s
21m, 34s
5h, 32m
3h, 16m
• SBR求解器集成在HFSS中 • 同一个设计中，统一的混合区域设置 • HFSS-Savant工具
• HFSS-EMIT 工具
3
HFSS 算法求解器
R18 版本已经集成至 ANSYS Electronics Desktop
ANSYS 域分解并行及混合算法
Savant: 弹跳射线法
Elec t电ric尺a l寸 Size
26
宽带自适应网格 BAM
单频点网格
宽带自适应网格
单频点自适应网格
网格在场集中的@1950 MHz工作 频 点附近进行自适应加密
在求解频点处生成高精度网格 不保证整个宽频带的精度
宽带自适应网格
• 注意到整个多工器都进行自适应加密 • 对整个频带范围都生成高精度网格
27
结果对比
单频点 求解频点
R17.2 Classic R18 Phi
30m, 55s
30s
825MB
435MB
R18 Classic 16m, 24s 618MB
HFSS MCAD 经典网格
R17.2
R18
15m, 35s 13m, 34s
1.2GB
1.2GB
17
网格改进, 续.
模型描述: 星载阵列天线
计算资源: 16 cores
127 min 54 min
• >2X 时间节省，精度损失有限
10
IE Regions与HFSS-IE设计类型等效
单独的IE regions与HFSS-IE求解性能相同
支持端口, 半空间, 和缝隙 HFSS-IE 设计类型将在R19中退出
→ 纯IE求解只支持HFSS驱动终端求解类型
11
天线设计工具
• 用“相关网格求解”（Dependent mesh solves）确保多频点精度
• 计算消耗增大
是否收敛?
Frequency Sweep 网格收敛后
扫频求解
对其他频点扫频求解
21
网格划分该以哪个频点为准?
低频点? 中频点?
求解 Solution Frequency
的场
高频点?
最高?
腔体双工器
பைடு நூலகம்22
• 多频点Multi-Frequencies: 用户控制所有网格划分频点
29
BAM:宽带自适应网格
• HFSS 求解宽带问题最新方法 • 利用多个频点并行以得到跨越频带的自适应网格 • 为整个频带提供可靠和保证精度的网格 • HPC: 多频点计算可同时进行
30
求解器改进
31
S-Parameter Only Matrix Solve 仅求S参数的矩阵求解方式
• 多个求解频点将会 “pre-seed”扫频求解
• 扫频更快速
扫频求解
24
单频点自适应网格案例
多工器
S21 S31
Example: 腔体多工器
在单个求解频点处进行网格划分
1950MHz
• 取决于用户选择的合适的求解频点
• 有些设计在要求宽带精度时对求解频点选择很
敏感 不同求解频点网格划分
120
100
80
60
40
20
0
Test 1
Test 2
Test 3
通过MPI的分布式频率求解
Test 4
降低磁盘使用，加速求解过程
36
整体性能提升: 2017 vs. 2016
Example: Package on PCB 两个差分对 DC to 20GHz
硬件: 14-Core Intel ® Xeon® CPU E5-2683 v3@ 2.00GHz, 2 CPUs/node. 设置: 两个Node, 56 Core, Auto HPC
15
网格划分
16
网格改进
采用联合馈电网络的阵列天线
计算资源: 16 cores
这些模型: − R18的Phi网格划分快25% − Layout中的经典网格划分快47% − MCAD中的经典网格划分快13%
Layout
MCAD
Time RAM
R17.2 Phi 40s
433MB
HFSS 3D Layout
（Antenna Design Toolkit）
• 增强的易用性
• 一键完成 • 易用的树形结构
• 增加的天线类型覆盖
• 2 种新的分类 • 12个新的天线模型 • 从3D部件转换而来
12
天线设计工具（Antenna Design Kit）: 扩展库支持
18中新增的脚本: 圆锥波纹喇叭，GPS陶瓷片、高频探头、准八木天线、刀片、圆盘单极天线、垂直梯形单 极天线，椭圆基条单极子、金字塔形脊喇叭、四脊喇叭，Uda八木天线，顺序旋转2x2的圆形贴片阵列， MxN微带阵列，背腔T条馈电缝隙天线，反射器（卡塞格林，Gregorian，抛物线，防溅板） 新增/增强综合功能: 平板刀片, 波导馈电波纹锥喇叭
腔体多工器有些设计在要求宽带精度时对求解频点选择很敏感对于所有频点单频点自适应网栺并不理想单频点自适应网栺1950mhz1910mhz25宽带自适应网栺案例1950mhz1910mhz宽带自适应网栺宽带自适应网栺宽带自劢自适应网栺划分进一步扩展了单频点自劢自适应网栺划分的求解能力26宽带自适应网栺bam单频点自适应网栺网格在场集中的1950mhz工作频点附近进行自适应加密丌保证整个宽频带的精度宽带自适应网栺对整个频带范围都生成高精度网格宽带自适应网栺27结果对比求解频点28多工器对单个自适应求解频点的选取很敏感单频点自适应网格可通过链接网格的方法提高结果精度bam设置hfss自动确定合适的网格划分频点多频点multifrequencies
14
EMIT 18.0 亮点, 续…
新的雷达调制
基于NTIA雷达频谱工程标准模型(RSEC); CW, FM-CW, FMpulse, 用于相位编码和跳频雷达系统的非调频脉冲.
自定天线对之间的 “Fixed” 耦合
用户自定义天线对之间多频段耦合
用户定义的天线耦合表
自定任意天线对间的耦合
Tx emission mask compliant with NTIA RSEC
13
EMIT 18.0亮点
Nexxim-EMIT 数据链接
EMIT Tx 行为模型可从详细的Nexxim设计自动创建
详细RF系统/射 频电路模型
新的 Nexxim-EMIT 数据链接将PSDP数 据转换为EMIT射频
模型
用Nexxim数据创 建的射频模型启
动EMIT
扩展的GPU支持和性能优化
GPU 现在支持包括Tesla K‐Series, Quadro K‐Series, Quadro M‐Series, 和 GeForce GTX Series.
1910MHz
• 不同工作频点，场特性明显不一样
• 对于所有频点，单频点自适应网格并不理想
单频点自适应网格
25
宽带自适应网格案例
1950MHz
1910MHz
宽带自适应网格
宽带自适应网格
利用HPC，同时在多个频点进行自适应网格细化 宽带自动自适应网格划分，进一步扩展了单频点自动自适应网格划分的求解能力
多工器对单个自适应求解频点的选取很敏感
高频段与宽带自适应网格很一致，因为求解频点选择在此段 低频段结果不准确，单频点自适应网格只能保证求解频点附近的场精度 单频点自适应网格可通过“链接网格”的方法，提高结果精度
28
BAM 设置
• 宽带Broadband：用户设定高低频点
• HFSS 自动确定合适的网格划分频点
6h, 27m
4h, 11m
R18, 16 cores 16m, 53s 2h, 51m 3h, 30m
大型面结构上 采用曲面单元
18
宽带自适应网格（BAM）
19
Adaptive Meshing: HFSS 的基石
自动自适应网格划分 Automatic Adaptive Meshing
→ 自动、精确、高效、可靠的解决方案
S-Parameter Only 矩阵求解: 并非近似，可获得相同结果
33
S-Parameter Only 矩阵求解案例
• 更快速求解，且明显节省内存 = 更多频点并行求解 • 多频点并行求解几乎是线性的，因此提速效果显著
Problem #
1 2 3
S-Parameter and Fields
13.5 GB 39.4 GB 188 GB
Example: 64 单元 (8X8) 蝶形天线阵 01:15 vs. 00:43 = 74% 提速
R18 R17
35
显著的性能增强
改进的Matrix Assembly，包括多线程支持
总时间(min)
200
180 160 140
HFSS17 HFSS18 (1-core) HFSS18 (2-core) HFSS18 (4-core)
1 CPU Core, 采用/不采用GPU
运行时间(分钟)
No GPU
GPU
Speedup*
Project #1 233.3
16.7
14
Project #2
41.7
3.3
13
Project #3
15.5
6.8
2
Project #4
41.7
2.8
15
Project #5
18.3
1.1
17
* Some models benefit more from multi-cores than GPU (and vice versa). actual speedup depends heavily on the model configuration. Some models may not benefit significantly from HPC. Cases shown here are intended to show potential speedups for certain model types.
ANSYS HFSS R18平台功能介绍
天线和无线系统
2
天线和无线系统
天线安装性能
性能 & 精度
• 宽频带自适应网格划分 • 基于MPI的频率扫描
天线设计流程 3D部件装配
混合算法 & SBR+ RF 环境
• 天线设计工具（ADK）增强 • 新增的天线模型天线安装性能
• 部件浏览器 • 编辑加密部件 • 部件数据保护