ANSYS電磁仿真工具HFSS、SIwave和Q3D的區(qū)別詳解

ANSYS下的HFSS、SIwave和Q3D的區(qū)別和應(yīng)用場景,為大家做個詳解。

這三個軟件的分析對象上有一些區(qū)別,其中HFSS和Q3D比較類似,都支持對3D任何結(jié)構(gòu)的建模和分析,最后都能得到該結(jié)構(gòu)的等效電路模型;SIwave的分析對象主要還是層疊結(jié)構(gòu),是一個PCB專用的分析工具。

HFSS是針對微波、射頻和SI的工具, SI分析只是它功能的一個方面,此外,它還能求解腔體、波導(dǎo)等的本征模;Q3D僅僅是針對SI的工具,沒有別的用途;SIwave是針對PCB分析的工具,除了SI,還可以做PI和EMI分析,但是在ANSYS新的產(chǎn)品規(guī)劃里面,SI問題將以HFSS 3D Layout來主導(dǎo),SIwave正在向PI和EMI工具進(jìn)行演變。

HFSS是3D全波電磁場仿真工具,基于有限元理論,對全波Maxwell方程組聯(lián)合求解,理論上計算結(jié)果的準(zhǔn)確度不受限于頻率,仿真的時間步長,但是占用的計算機(jī)資源多;Q3D是準(zhǔn)靜態(tài)的2D\3D電磁場仿真工具,對電壓和電流建立電路方程組求解,因此仿真的速度快,但是因為采用的是電路理論,因此只在一定的頻率范圍內(nèi)是準(zhǔn)確的,這個范圍通常是要求結(jié)構(gòu)尺寸小于求解波長的十分之一,通常建議適用的頻率上限是5Gbps;SIwave是2.5D的電磁場仿真工具,它假設(shè)PCB在層疊Z方向上的電磁場是均勻分布的,因此求解的是對Z方向分量進(jìn)行簡化后的Maxwell方程組,要求Z方向上的結(jié)構(gòu)不能有變化,因此也只在一定的頻率范圍內(nèi)是準(zhǔn)確的,通常要求分析對象必須擁有完整的參考平面,通常建議適用的頻率上限也是5Gbps。

HFSS采用核心算法是FEM、IE和DGTD,在新的版本里面還加入了MLFMM、FETD等算法,不但能夠求解頻域問題,還能求解時域問題,此外,除了傳統(tǒng)的電小尺寸求解,現(xiàn)在電大尺寸求解能力也有極大的提升;Q3D采用的主要是FEM、MOM和FMM方法,在新的Q3D里面還新增了PEEC(部分元件等效電路)的算法,能夠分析各種三維互連結(jié)構(gòu)的寄生電路;SIwave則采用了FEM和MOM的混合算法,針對TRACE這種結(jié)構(gòu)采用的是MOM算法,Plane采用的是FEM,在求解效率上相比HFSS有明顯的提升。

HFSS主要采用的是四面體網(wǎng)格,其中IE算法采用的是三角形面網(wǎng)格,網(wǎng)格的剖分和加密采用的是自適應(yīng)剖分和加密技術(shù),即根據(jù)結(jié)構(gòu)頂點進(jìn)行初始網(wǎng)格剖分,基于電場梯度變化進(jìn)行網(wǎng)格加密,因此網(wǎng)格剖分和加密迭代的效率比較低,但是網(wǎng)格質(zhì)量非常高;SIwave采用的是四面體網(wǎng)格和三角形網(wǎng)格的混合技術(shù),對Plane采用的是四面體網(wǎng)格,Trace采用的三角形面網(wǎng)格,網(wǎng)格的剖分和加密采用的是新的Phi-Mesh技術(shù),即先生成XY的三角形面網(wǎng)格,然后再基于面網(wǎng)格生成Z方向的四面體網(wǎng)格,這種網(wǎng)格的好處是質(zhì)量很高,加密迭代速度快,但是應(yīng)用范圍有限,只能運(yùn)用于平面層疊結(jié)構(gòu);Q3D采用的網(wǎng)格技術(shù)和HFSS完全一樣。

HFSS和SIwave生成的是頻域S參數(shù)模型,能直觀顯示互連系統(tǒng)在整個關(guān)心頻段上的傳輸特性,有助于分析、解決問題,而Q3D生成的只是等效的電路模型,就是用集中參數(shù)的RLGC元件的串、并聯(lián)來等效互連系統(tǒng),必須把模型送入到時域仿真器后,才能看到互連系統(tǒng)的效果,也不能一下就能發(fā)現(xiàn)建模中的問題。