ANSYS HFSS 2023 R1新功能

王华明上海安世亚太

ANSYS HFSS 2023 R1版本在工作流程、前处理和并行求解方面的进行了改善和提升，使电磁仿真功能更全面、流程更高效。本文将围绕HFSS 2023 R1版本新增的几个核心性能和功能提升进行初步介绍。

Layout组件工作流改进

支持在HFSS 3D Layout快速布置对HFSS 3D中的组件，从而实现对复杂装配体的支持。用户现在可以在Layout中使用参考坐标系进行组件的放置，并可对组件边界框和端口进行调用和处理。同时，支持对其中的HFSS 3D组件进行原始设计的修改。这些便利使得用户可以在几分钟内实现复杂装配仿真模型的搭建，大大提高了建模的效率。如下所示为具有29个组件的Layout仿真分析：

【资料图】

图1 最终装配体模型及仿真效果

图2 装配体中的组件列表

阵列3D组件的并行自适应剖分

在前面的版本中，HFSS以串行的方式剖分3D组件，其效率相对较低。在新版本中，在3D组件剖分方面进行了质的提升，采用了并行剖分，极大提高了模型的前处理效率。如下为带馈电结构的16×16天线阵，其中含有26类独立组件，总计432个组件：

图3 带馈电结构的天线阵列仿真

通过比对可以看到其加速了42%。

表1 加速效果对比

Delta S	# of passes	12 Core Adaptive Mesh
		Sequential	Parallel
0.02	5	3:31	2:29

用于网格融合的迭代求解器

在HFSS 2023 R1版本中，针对网格融合加入了迭代求解器，其在降低内存消耗和求解速度上都得到极大提升。如下为基于网格融合技术的反射面天线，在直接求解和迭代求解中，两者求解结果完全一致（即采用迭代求解没有精度损失），同时内存消耗减低了54%、求解速度提高了42%。

图4采用迭代器求解器的反射面天线

表2 求解效率对比

32 cores – Mesh fusion 2 domains
direct		iterative
00:49:31	113 GB	00:29:07	52.1 GB

改进的HPC性能

针对网格融合求解器进行了加速优化，实现3D组件阵列的多节点分布矩阵快速组装和场恢复，同时提升了分布矩阵求解性能。对于超大阵列迭代求解器同样进行了提升，其有效降低了迭代次数，大大提升了求解速度，为阵列天线设计人员提供了有力的设计工具。如下为大型阵列天线采用新旧版本进行仿真时的效果对比，可以看到新版本减少了24%的内存需求，并获得了25%的速度提升。

图5 大型天线阵列仿真

表3 求解效率对比

Ver	# iter	1 machine 16 cores
22.2	29.9	03:08:59	171GB
23.1	21.3	02:22:03	131GB

如下为复杂电路板的直接求解，基于AMD CPU和数学库加速提高了44%-82%的求解效率。

图6 复杂电路板仿真模型

表4 求解速度对比

Num Cores	Without AMD lib	With AMD lib
8	0:17:46	0:09:45 (1.82x)
16	0:11:04	0:06:59 (1.58x)
32	0:08:13	0:05:42 (1.44x)

其他

1、宽带波端口的快速扫描

针对HFSS 3D Layout中信号分析的宽带问题，在本次版本更新中对其中的低频部分进行了稳定性改进和性能提升，大大提高了宽带扫描的效率。如图所示为四端口激励下的宽带波端口快速扫描，其仿真结果与插值扫描相同，但效率提升了4.7倍。

图7 仿真模型和仿真结果对比

表5 计算速率比对

32 cores – Frequency sweep
Interpolating	Broadband fast
00:15:02	00:03:10

2、自适应时间步进算法

基于多级时间步长控制算法，使用Newton迭代次数作为非线性的指示，减少线性部分的时间步数，增加弱/中等非线性段的时间步数。从而减少总的时间步数，降低Newton迭代次数、缩短仿真时间。

图8 时间步控制对比

表6 时间步控制效应示例

总结

除了上述功能之外，ANSYS HFSS 2023 R1在模式端口应用、等离子体仿真、SBR+等方面也有重要的改进，本文不再一一详述，这些功能改进无疑带来了更全面的性能、更高效的仿真流程和更强的可靠性。