Ansoft HFSS (Ansoft High Frequency Structure Simulator) là một phần mềm mơ phỏng dùng để giải trường điện từ dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) tồn sĩng cho cấu trúc ba chiều bất kỳ. HFSS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn tồn sĩng ba chiều để tính tốn các đặc trưng điện học của các linh kiện tần số cao và tốc độ cao. Với HFSS, các kỹ sư cĩ thể tách các tham số kí sinh (S, Y, Z), hình dung trường điện từ ba chiều (trường khu gần và trường khu xa), tạo ra các mẫu chương trình mơ phỏng chuyên dùng cho mạch in (SPICE - Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), và thực hiện thiết kế tối ưu. HFSS mơ tả chính xác hoạt động điện của các linh kiện và đánh giả hiệu quả chất lượng tín hiệu, bao gồm tổn hao đường truyền, tổn hao phản xạ do khơng phối hợp trở kháng, đối ngẫu kí sinh, và phát xạ. HFSS cĩ thể mơ phỏng các trường điện từ, dịng điện và phát xạ trong một cấu trúc ba chiều bất kỳ bao gồm kim loại, điện 52 mơi, vật liệu từ v.v… dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn ba chiều. HFSS được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp cho tần số vơ tuyến RF, anten, và thiết kế mạch. HFSS là phần mềm chuẩn cơng nghiệp cho việc tách tham số S và chương trình mơ phỏng chuyên dùng cho mạch in tồn sĩng (full wave SPICE) và cho mơ phỏng điện từ của các linh kiện tần số cao với tốc độ cao. HFSS được sử dụng rộng rãi cho việc thiết kế của các phần tử thụ động nhúng trên chip, các đầu nối mạch in, anten, các linh kiện RF/vi ba, và các gĩi IC tần số cao. HFSS phát triển các sản phẩm khoa học, giảm thời gian phát triển và khẳng định rõ hơn thành cơng của thiết kế. Phiên bản mới nhất của HFSS đưa ra những phát triển sản
phẩm tới các kỹ sư RF/vi ba và mở rộng việc phối hợp thiết kế điện từ tới các nhánh khác của kỹ sư làm việc trong các khu vực thiết kế IC RF/analog và các thiết kế multi- gigabit cũng như EMI/EMC. HFSS được dùng để mơ phỏng các đầu nối, các ống dẫn sĩng, các linh kiện trên chip, các anten, v.v… và dùng cho việc khảo sát các tham số, tối ưu cấu trúc, … [12].
a. Phương pháp phần tử hữu hạn
HFSS được dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn ba chiều. Đĩ là một phương pháp miền tần số (các lời giải được tính cho từng tần số riêng biệt). Phương pháp phần tử hữu hạn chia cả khơng gian thành các phần tử hữu hạn (tam giác hoặc tứ diện) và mơ tả trường trong mỗi miền con bằng một hàm cục bộ. Với thể tích tổng cộng của miền con, trường tán xạ cĩ thể được mở rộng thành một loạt các hàm cơ bản đã biết với các hệ số mở rộng chưa biết. Giá trị của số lượng trường véc-tơ ở các điểm trong mỗi tứ diện được nội suy số học từ các giá trị ở các đỉnh và trung điểm các cạnh. Bộ mơ phỏng biến đổi các phương trình Maxwell thành các phương trình ma trận, cĩ thể được giải sử dụng các phương pháp số học. Thời gian mơphỏng tỉ lệ với (khi được giải theo phương pháp lặp) hay (nếu ma trận hệ thống được đảo trực tiếp).
b. Tính tốn
Quá trình phân tích thích ứng
Một phân tích thích ứng là một quá trình giải trong đĩ lưới được lặp tinh chỉnh trong những vùng cĩ lỗi cao, làm tăng độ chính xác của lời giải. Người sử dụng đặt các tiêu chuẩn điều khiển cho việc tinh chỉnh lưới trong lời giải trường thích ứng. Nhiều vấn đề cĩ thể được giải quyết chỉ bằng việc sử dụng tinh chỉnh thích ứng.
1. HFSS tạo ra một lưới khởi tạo.
2. Sử dụng lưới khởi tạo, HFSS tính tốn các trường điện từ tồn tại bên trong cấu trúc khi nĩ được kích thích ở tần số nghiệm. (Nếu bạn đang chạy một tần số quét, một nghiệm thích nghi được thực hiện chỉ ở tần số nghiệm cụ thể)
3. Được dựa trên lời giải phần tử hữu hạn hiện tại, HFSS xác định các vùng chứa vấn đề mà việc tính nghiệm gặp lỗi. Tứ diện trong những vùng này được tinh chỉnh. 4. HFSS tạo ra một lời giải khác sử dụng lưới đã tinh chỉnh.
5. HFSS tính lại lỗi, và quá trình lặp này (giải – phân tích lỗi – tinh chỉnh) lặp lại cho đến khi các tiêu chuẩn hội tụ được thỏa mãn hoặc hồn tất số lần thơng qua thích ứng. 6. Nếu tần số quét được thực hiện, HFSS sẽ giải vấn đề ở các điểm tần số khác mà khơng cần tinh chỉnh thêm nữa
Các bộ quét tần số
Thực hiện một bộ quét tần số khi người sử dụng muốn tạo ra một lời giải qua một dải các tần số. Ta cĩ thể lựa chọn một trong những loại bộ quét sau: 1. Nhanh: Tạo ra một lời giải trường đầy đủ duy nhất cho mỗi phép chia trong một khoảng tần số. Tốt nhất cho các mẫu đột ngột cộng hưởng hay thay đổi hoạt động trong băng tần số. Một bộ quét nhanh sẽ chứa một sự mơ tả chính xác các đặc điểm gần cộng hưởng. 2. Rời rạc: Tạo ra các lời giải trường ở các điểm tần số cụ thể trong một dải tần. Tốt nhất khi chỉ cĩ vài điểm tần số cần thiết phải mơ tả chính xác các kết quả trong một dải tần. 3. Nội suy: Đánh giá một lời giải cho tồn bộ dải tần. Tốt nhất khi dải tần rộng và đáp ứng tần số là bằng phẳng, hay nếu sự yêu cầu bộ nhớ của bộ quét nhanh vượt quá tài nguyên của bạn.
Kích thích Thiết lập các kích thích cho một thiết kế HFSS cho phép bạn cụ thể hĩa các nguồn trường điện từ và các điện tích, các dịng điện hay các điện áp trên vật hay trên bề mặt: Wave port; Lumped port; Sĩng tới; Nguồn điện áp; Nguồn dịng điện; Nguồn phân cực từ.
Các đường biên
Các điều kiện biên cụ thể hĩa đặc tính trường trên các bề mặt của vùng bài tốn và các giao diện vật thể. Khu vực này của những chú ý kỹ thuật bao gồm thơng tin về các loại đường biên: Perfect E; Perfect H; Trở kháng; Phát xạ; PML; Chất dẫn điện hữu hạn; Đối xứng; Chủ - tớ; Lumped RLC; Trở kháng phân lớp; Các mặtphẳng đất vơ hạn. Các vật liệu
Các tính chất của vật liệu tuyến tính: - Hệ số từ thẩm tương đối
- Hệ số điện mơi tương đối - Điện dẫn khối
- Tổn hao điện mơi tiếp tuyến - Tổn hao từ tiếp tuyến
Các tính chất của vật liệu ferít: - Đường bão hịa từ - Hệ số Lande G - Delta H Thơng tin cũng bao gồm những điều sau: - Các vật liệu khơng đẳng hướng - Các tính chất của vật liệu phụ thuộc tần số