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HFSS电磁场算法及应用场景介绍

前言

相信每一位使用过HFSS的工程师都有一个疑问或者曾经有一个疑

问：我怎么才能使用HFSS计算的又快又准？对使用者而言，每个工程

师遇到的工程问题不一样，工程经验不能够直接复制；对软件而言，

随着HFSS版本的更新，HFSS算法越来越多，针对不同的应用场景对

应不同的算法。因此，只有实际工程问题切合合适的算法，才能做到

速度和精度的平衡。工程师在了解软件算法的基础上，便能够针对自

己的需求进行很好的算法选择。

由于当今世界计算机的飞速发展，让计算电磁学这门学科也有了

很大的发展，如图1所示，从大的方面来看，我们将计算电磁学分为

精确的全波算法和高频近似算法，在每一类下面又分了很多种算法，

结合到HFSS软件，通过ANSYS公司40余年来坚持不懈的研发和战

略性的收购，到目前为止，HFSS有FEM、IE（MoM）、DGTD、PO、

SBR+等算法，本文会针对每种算法和应用场景逐一介绍，相信你看完

这篇文章应该对HFSS算法和应用场景会有更深的认识。

图1计算电磁学

算法介绍

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全波算法-有限元算法（FEM）

有限元算法是ANSYSHFSS的核心算法，已有二十多年的商用历

史，也是目前业界最成熟稳定的三维电磁场求解器，有限元算法的优

点是具有极好的结构适应性和材料适应性，充分考虑材料特性：趋肤

效应、介质损耗、频变材料；是精确求解复杂材料复杂结构问题的最

佳利器，有限元算法采用四面体网格，对仿真物体能够很好的进行还

原。

FEM算法的支配方程见下图：

图2FEM算法支配方程

HFSS有限元算法在网格划分方面能够支持自适应网格剖分、网格

加密、曲线型网格，在求解时支持切向矢量基函数、混合阶基函数和

直接法、迭代法、区域分解法的强大的矩阵求解技术。

在应用领域，HFSS主要针对复杂结构进行求解，尤其是对于一些

内部问题的求解，比高速信号完整性分析，阵列天线设计，腔体问题

及电磁兼容等应用场景，非常适合有限元算法求解。

图3FEM算法应用场景

有限元算法结合ANSYS公司的HPC模块，ANSYSHFSS有限元

算法可以进行电大尺寸物体的计算，大幅度提升仿真工程师的工作效

率。针对宽带问题，FEM推出了宽带自适应网格剖分，大大提升了仿

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真精度。

全波算法-积分方程算法（IE）

积分方程算法基于麦克斯维方程的积分形式，同时也基于格林函

数，所以可自动满足辐射边界条件，对于简单模型及材料的辐射问题，

具有很大的优势，但原始的积分方程法计算量太大，很难用于实际的

数值计算中，针对此问题，HFSS中的IE算法提供了两种加速算法，

一种是ACA加速，一种是MLFMM，分布针对不同的应用类型。

ACA方法基于数值层面的加速技术，具有更好的普适性，但效率相比

MLFMM稍差，MLFMM算法基于网格层面的加速，对金属材料，松

散结构，具有更高的效率