Обновления ANSYS Electronics 2019 R1 для высокочастотного анализа

В обновлении ANSYS 2019 R1 в пакетах для высокочастотного анализа (High Frequency) улучшена работа решателей, произведена интеграция EMIT (пакета анализа электромагнитной совместимости), 3D компоненты стали обрабатываться быстрее, улучшена работа с графикой и многое другое. В этой обзорной статье будут рассмотрены обновления, которые появились в пакетах ANSYS Electronics Desktop, позволяющих производить высокочастотный анализ:

• HFSS Designer;
• 3D Layout Designer;
• EMIT Designer;
• Circuit Designer;

В конце статьи мы рассмотрим новые возможности и полезные функции рабочего стола ANSYS Electronics Desktop.

 

Новые возможности HFSS Designer

 

С выходом новой версии в HFSS: 

- добавлена дополнительная опция Model Blockage для решателя SBR+;

- появилось новое граничное условие (Boundaties) Fresnel Coefficient;

- увеличена производительность гибридного решателя;

Перейдем к рассмотрению новых возможностей HFSS Designer. 

Model Blockage для решателя SBR+

В HFSS Designer при использовании решателя HFSS SBR+ добавлена возможность заблокировать часть геометрии, то есть не использовать ее при расчетах. Как известно SBR+ решатель используется для анализа сверхбольших электрических задач, имеющих размеры сотен длин волн. Например, это может быть анализ высоконаправленной антенны спутниковой связи:

Заблокированная область (Blockage Section) на скриншоте выше не будет учтена при вычислении диаграммы объекта. В качестве области Blockage может быть задана часть антенны или немодельная геометрия. Так, например, чтобы определить уровень уменьшения коэффициента усиления рефлекторной антенны из-за затенения рупором, можно выбрать геометрию рупора как Blockage. В некоторых задачах структура первичного облучателя может быть слишком детализированной для того чтобы взаимодействовать с лучами SBR+, так как решатель SBR+ все же является коротковолновым приближением (пусть и высокоточным). В этих случаях вместо детализированного рупора можно создать упрощенную блокирующую структуру (Blockage Selection). Для этого нужно создать упрощенную немодельную структуру вокруг облучателя, а затем выбрать эту структуру в разделе Blockage Selection. Выбранная структура может быть настроена как идеальный проводник (Perfect Conductor) или идеальный поглотитель (Perfect Absorber).

Давайте рассмотрим случай, когда будет полезно использовать новую функцию Blockage modeling при использовании решателя HFSS SBR+. Во многих задачах с использованием решателя SBR+ достаточно представить источник с точки зрения задания его характеристик излучения в дальней или ближней зонах, и при этом нет необходимости конфигурировать блокировку модели (вкладка Model Blockage – Blockage Section):

Но в некоторых задачах антенна-источник может генерировать вторичное рассеяное излучение после того как лучи сначала отразятся от основной (исследуемой) геометрии, которую освещает источник. Это актуально, например, в задачах облучения зеркала первичным излучателем с использованием решателя SBR+. В этой задаче геометрия источника может быть задана как Blockage Selection. Тогда поверхность первичного источника (облучателя) будет невидима для лучей SBR+ решателя в момент их первого «вылета» из источника. Однако, после первого отскока от геометрии зеркала, Blockage секция будет взаимодействовать с лучами SBR+ точно так же, как и любые другие геометрии модели.

Применение новой опции Model Blockage для решателя SBR+ может дать значительную экономию памяти и машинного времени при расчетах. Ниже приведено сравнение затрат вычислительных ресурсов при решении задачи облучения зеркальной антенны диаметром 2 метра на частоте 5 ГГц:

Гибридный решатель FEM-MoM	Решатель SBR+ с Blockage
6 Гб, 25 мин, 28 CPU ядер	0.1 Гб, 5 мин, 12 CPU ядер

Таким образом, при правильной конфигурации настроек решателя SBR+, можно решать большие и сложные задачи с низкими затратами времени и производительности, а новая опция Model Blockage позволяет делать это еще эффективнее.

Граничное условие (Boundaties) Fresnel Coefficient

В новой версии HFSS добавлена возможность создавать пользовательские граничные условия с коэффициентами Френеля (коэффициентами передачи/отражения). Выбрав Assign Boundary > Fresnel (SBR+) можно задать границу в виде идельного поглотителя, либо можно импортировать табличные файлы с коэффициентами Френеля, описывающих параметры отражения и передачи слоя.

Когда граница SBR+ сконфигурирована как Impedance Boundary или Layered Impedance boundary, то генерируется таблица коэффициентов Френеля, используемая во время симуляции трассировки лучей в методе SBR+. Опция Fresnel (SBR+) позволяет напрямую загружать таблицы Френеля из внешнего файла (Import from table file на рисунке ниже). Данные коэффициенты могут быть рассчитаны по аналитическим формулам, с помощью моделирования границ в HFSS для частотно-избирательной поверхности, или получены с помощью измерения:

 

Поддерживаются два типа таблиц Fresnel Coefficient:

• Таблица коэффициентов отражения;
• Таблица коэффициентов отражения + коэффициентов пропускания;

Таким образом, новое граничное условие Fresnel (SBR+) в виде табличных данных может быть использовано для расчета электродинамических характеристик тонких диэлектрических структур, в том числе многослойных и окрашенных поверхностей. Также граница Fresnel (SBR+) может быть использована в качестве идеального поглотителя.

Увеличена производительность гибридного решателя

В новой версии ANSYS HFSS 2019 R1 произведено улучшение гибридного решателя (Hybrid Solver) за счет более эффективной адаптации сетки. В настройках гибридного решателя появилась возможность пропустить решение в области IE Region во время адаптивных проходов (выбрав Skip IE Region Solve During Adaptive Passes на скриншоте ниже) чтобы исключить явное решение в области IE region, свободной от источников:

Данный подход позволяет добиться увеличения производительности в 11 раз по сравнению с предыдущей версией HFSS при идентичных результатах расчетов:

 

Новые возможности 3D Layout Designer

 

В 3D Layout Designer версии 2019 R1 обновился механизм остроения сетки на основе ECAD + MCAD, который теперь работает быстрее чем раньше. Сетка генерируется автоматически, захватывает как крупные так и мелкие объекты и дает точные результаты расчетов. Время решения не зависит от количества портов на плате. Для многослойных плат стала доступна параллельная сетка ECAD, кроме того поддерживается переопределение материалов многослойных структур. Индуктивные порты на кристалле теперь можно моделировать значительно проще за счет упрощения этапов создания диэлектрического наполнения и группирования соединений.Таким образом, 3D Layout Designer с новым генератором сетки позволяет быстрее создавать начальную сетку и как следствие быстрее получать результаты расчетов:

Кроме того 3D компоненты теперь занимают меньший объем памяти на диске, за счет этого время проверки 3D модели (Validation) также уменьшено. Так для представленного ниже дизайна многослойной платы, содержащего два SMD компонента (добавленных как HFSS 3D Components), показано следующее увеличение производительности по сравнению с прошлой версией:

Также в 3D Layout Designer стал доступен анализ поля в дальней зоне и постобработка результатов, аналогичная HFSS. Кроме того, в дизайнере плат 3D Layout появилась возможность создавать Open Region PML:

Open Region позволяет анализировать устройство на предмет излучения электромагнитного поля в ближней и дальней зонах подобно тому, как это происходит в HFSS.

 

Индеграция продукта EMIT Designer в Electronics Desktop

 

В новой версии ANSYS Electronics Desktop появился EMIT решатель, реализованный в виде редактора схем, правда пока только в Beta версии. EMIT позволяет производить комплексный анализ устройства на предмет электромагнитной совместимости. EMIT позволяет прогнозировать радиочастотные помехи (RFI) в сложных системах, содержащих несколько радиочастотных модулей, работающих одновременно. При этом также как и в остальных продуктах Electronics Desktop EMIT позволяет в наглядном виде производить комплексный анализ устройства и пособработку результатов:

 

Новые возможности Circuit Designer

 

В Circuit Designer появилась возможность создавать частотно-зависимые источники. При этом частотно-зависимые данные могут быть загружены в виде таблиц или файлов формата CTLE 2.0 и подобных. Добавить частотно-зависимый источник можно через динамическую ссылку, как это обычно производится в HFSS. Внешний вид источника в Circuit Designer приведен ниже:

 

Частотно-зависимые источники могут быть использованы в 3D Layout Designer для анализа характеристик излучения платы на разных рабочих частотах.

 

Новые возможности рабочего стола ANSYS Electronics Desktop

 

В ANSYS 2019 R1 изменения коснулись и рабочего стола. Так, например, стала доступна опция неграфического выполнения скрипта (пока в бета-версии), которую можно выбрать в настройках оптимизации (меню Setup Optimization). А в настройках анализа модели (Model Analysis) можно включить обратную связь в настройках сетки для геометрии с несколькими типами сеток. Эти функции позволяют более эффективно производить анализ геометрий с большим количеством элементов:

Также изменения графики и анимации. Теперь сразу через графический интерфейс Electronics Desktop можно экспортировать изображения в высоком качестве (4K, 8K UHD) формата .png без потери качества:

Также появилась возможность экспортировать анимацию в формате .WebM, совместимым с браузерами на основе HTML5. Анимация в Optimetrics таже была доработана:

Была увеличена производительность при работе с трехмерными компонентами (3D Components). Теперь добавление 3D компонентов в дизайн происходит в 3-4 раза быстрее за счет уменьшаения разметров исходных файлов и потребляемой памяти. Например, для платы Galileo Board в примере ниже:

• скорость импорта модели составила 6 секунд против 24-х секунд в предыдущей версии;
• объем занимаемой памяти 20 Мб против 30 Мб в предыдущей версии;

Увеличение производительности происходит за счет изменения способа хранения исходных данных. Проверка модели (Validation) перед запуском на расчет теперь также происходит быстрее. 

Также новые возможности получил и 3D Modeler, его версия ACIS была обновлена до 28.2. Для каждой 3D модели теперь можно создать историю, а созданные модели могут быть параметризированы. При работе с 3D моделями теперь доступна подробная информация об ее элементах (цилиндрах, поверхностях, дугах и т.д.). Кроме того была обновлена поддержка совместимых CAD-систем:

• CATIA V62018
• Creo 5.0
• SolidWorks 2018
• Siemens NX 12
• Autodesk Inventor 2019
• Parasolid 31

 

Заключение

 

Таким образом, в обновлении 2019 R1 ANSYS в пакетах для высокочастотного анализах (High Frequency) представлено несколько довольно интересных возможностей:

• В HFSS изменения коснулись в основном решателей, благодаря которым расчет электромагнитных характеристик моделей с  большим электрическим размером стал еще эффективнее.
• Была произведена интеграция пакета анализа электромагнитной совместимости EMIT в ANSYS Electronics Desktop, правда пока что в демоверсии.
• В 3D Layout дизайнере обновился механизм построения сетки, который теперь работает еще быстрее, чем раньше. Также в 3D Layout стал доступен анализ поля в дальней зоне и постобработка результатов, аналогичная HFSS.
• В приложении Circuit Designer появились частотно-зависимые источники сигналов, для анализа характеристик излучения печатных плат. Эти источники могут быть использованы в 3D Layout Designer путем их добавления через динамическую ссылку.

В новой версии Electronics Desktop появилась возможность экспортировать изображения в высоком качестве (8K UHD) прямо через графический интерфейс. Также появилась возможность экспортировать анимацию в формате .WebM, совместимым с HTML5. Была улучшена анимация в Optimetrics и увеличена производительность при работе с 3D компонентами. Добавление 3D компонентов в модель теперь происходит в 3-4 раза быстрее, чем раньше. Соответственно быстрее происходит и проверка модели (Validation) перед запуском на расчет.