ANSYS下的HFSS、SIwave和Q3D的區別和應用場景,為大家做個詳解。

這三個軟件的分析對象上有一些區別,其中HFSS和Q3D比較類似,都支持對3D任何結構的建模和分析,最后都能得到該結構的等效電路模型;SIwave的分析對象主要還是層疊結構,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新的產品規劃里面,SI問題將以HFSS 3D Layout來主導,SIwave正在向PI和EMI工具進行演變。

HFSS是3D全波電磁場仿真工具,基于有限元理論,對全波Maxwell方程組聯合求解,理論上計算結果的準確度不受限于頻率,仿真的時間步長,但是占用的計算機資源多;Q3D是準靜態的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是準確的,這個范圍通常是要求結構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方向分量進行簡化后的Maxwell方程組,要求Z方向上的結構不能有變化,因此也只在一定的頻率范圍內是準確的,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,除了傳統的電小尺寸求解,現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構的寄生電路;SIwave則采用了FEM和MOM的混合算法,針對TRACE這種結構采用的是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格,其中IE算法采用的是三角形面網格,網格的剖分和加密采用的是自適應剖分和加密技術,即根據結構頂點進行初始網格剖分,基于電場梯度變化進行網格加密,因此網格剖分和加密迭代的效率比較低,但是網格質量非常高;SIwave采用的是四面體網格和三角形網格的混合技術,對Plane采用的是四面體網格,Trace采用的三角形面網格,網格的剖分和加密采用的是新的Phi-Mesh技術,即先生成XY的三角形面網格,然后再基于面網格生成Z方向的四面體網格,這種網格的好處是質量很高,加密迭代速度快,但是應用范圍有限,只能運用于平面層疊結構;Q3D采用的網格技術和HFSS完全一樣。

HFSS和SIwave生成的是頻域S參數模型,能直觀顯示互連系統在整個關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,就是用集中參數的RLGC元件的串、并聯來等效互連系統,必須把模型送入到時域仿真器后,才能看到互連系統的效果,也不能一下就能發現建模中的問題。