Vernetzte HF-Simulation mit HFSS Mesh Fusion

Wenn Feldgitter miteinander verschmelzen Vernetzte HF-Simulation mit HFSS Mesh Fusion

17.03.2021Redakteur: Kristin Rinortner

Der 3D-Simulator für hochfrequente elektromagnetische Felder HFSS zählt zu den wichtigsten Simulationswerkzeugen für Antennen und Elektronikkomponenten. Welche Neuerungen das aktuelle Release HFSS mit Mesh Fusion des FEM-Simulators bringt, haben wir uns angesehen.

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Mesh Fusion: Das neue Release von HFSS mit Mesh Fusion ermöglicht einfaches, schnelles Vernetzen und das präzise Simulieren der elektromagnetischen Feldverteilung beliebig komplexer Systeme mit Halbleiterkomponenten, Verbindungstechnik (Steckverbinder und Kabel), Gehäusen und Leiterplatten.
(Bild: Ansys)

HFSS ist ein Simulator für elektromagnetische Komponenten von Ansys, der auf der Basis von Finiten Elementen arbeitet und seit 1990 auf dem Markt ist. Das Akronym steht für High-Frequency Structure Simulator.

Das Simulationswerkzeug ist für das Antennen-Design und die Validierung komplexer, hochfrequenter elektronischer Schaltungselemente wie HF- oder Mikrowellen-Komponenten, Filter, Verbindungstechnik (High-Speed-Steckverbinder), Halbleiterchips und Leiterplatten seit Jahren etabliert.

Die Stärken des Simulators – die laut Hersteller sehr hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit – kommen umso mehr zum Tragen, je komplexer das Design ist.

Paralleles Vernetzen von Komponenten in der FEM-Simulation

Ende Januar 2021 ist mit Mesh Fusion (verfügbar in Ansys HFSS 2021 R1) die aktuelle Version des FEM-Simulators auf den Markt gekommen. Der Name Mesh Fusion, im Deutschen Gitterverschmelzung, verdeutlicht die wichtigste Neuerung: Das parallele Vernetzen einzelner Komponenten.

Bild 1: EMV-Simulation der Abstrahlungen in großen Systemen am Beispiel eines Touchscreen-TV in einer Absorberkammer.
(Bild: Ansys)

Laut Ansys ist die dadurch gewonnene Schnelligkeit ohne Einbußen bei der Genauigkeit derzeit ein Alleinstellungsmerkmal. Diese Neuerung ermöglicht eine vollständig gekoppelte Simulation sehr großer und komplexer elektromagnetischer Systeme wie sie in der 5G-Kommunikation oder bei autonom agierenden Fahrzeugen vorkommen.

Die Feldlösung ist auch dann stetig, wenn die Domänengrenze Unstetigkeiten hat

In HFSS steckt neben HF-Expertise und High Performance Computing (HPC) viel angewandte numerische Mathematik wie die Methode der „Domain Decomposition“ [1]. Dabei werden Randwertprobleme in Differentialgleichungen gelöst, indem Bereiche in Domänen zerlegt, einzeln berechnet und die Lösungen iterativ koordiniert wieder zusammengefügt werden. Da die Domänen unabhängig voneinander berechnet werden, ist diese Methode für paralleles Rechnen mittels HPC geeignet.

Die Ansys-Entwickler haben im aktuellen Release die Methode der Domain Decomposition und den Distributed Direct-Memory Solver erweitert, in dem die Stetigkeit der Feldlösung (Maxwell’sche Gleichungen) zwischen Domänen auch dann gewährleistet wird, wenn in der Grenze der Domäne das Gitter Unstetigkeiten aufweist [2, 3].

Mit anderen Worten, die Tetraeder der Vernetzung dürfen an den Übergangsstellen unstetig sein, die Feldlösung bleibt trotzdem am Übergang stetig.

Keine Grenzen mehr bei Vernetzung und Dynamik

Hier liegt der technologische Quantensprung: Durch diesen Kniff sind bei der Vernetzung keine Grenzen mehr gesetzt. Dadurch bildet die Vernetzung großer, komplexer Geometrien nun auch keinen Flaschenhals mehr bei der Simulation, da auch HPC für die Vernetzung genutzt werden kann.

„HFSS Mesh Fusion ermöglicht die Lösung größerer und komplexerer Strukturen als je zuvor“, fasst Dr. Devin Crawford, Technischer Leiter EMEA bei Ansys, die aktuellen Entwicklungen in HFSS Mesh Fusion zusammen.

Bild 2: Mit HFSS Mesh Fusion lassen sich große und komplexe Strukturen lösen. Im Bild ist ein Beispiel für ein System mit 20 unabhängigen Komponenten zu sehen.
(Bild: Ansys)

Auch die geometrische Dynamik unterliegt (theoretisch) keinen Beschränkungen. In der Praxis bedeutet dies, dass Strukturen mit einer Größe von 1 µm in einem 1 m großen System akkurat berechnet werden (Bild 1 und 2).

Bild 3: Beispiel für die Dynamik der gekoppelten Simulation von Mixed-Signal-Schaltungen (Leiterplatte, Halbleiterchip, Steckverbinder inklusive Flächenleiter).
(Bild: Ansys)

Ein besonders interessantes Beispiel für die extreme Dynamik ist die gekoppelte Simulation von Mixed-Signal-Schaltungen für das Berechnen des Übersprechens des digitalen auf empfindlichen Analogbereiche (Bild 3). In korrekt definierten Domänen lassen sich die Einkopplungen von Rauschanteilen auf den analogen Eingang mit <–90 dB vorhersagen. Diese Zahl ist messtechnisch bedingt. Der Dynamikbereich des Solvers liegt generell unterhalb von –140 dB.

Komponentendefinition in der FEM

Aufgrund des separaten Vernetzungs- und Lösungsansatzes lassen sich Komponenten mehrfach in einer Domäne oder auch in anderen Domänen verwenden und parallel vernetzen.

Ein einfaches Beispiel aus der Praxis: Steckverbindertypen wie USB und HDMI lassen sich auf einer Leiterplatte an mehreren Stellen spiegeln (quasi kopieren) und / oder einfach verschieben. Die erneute Vernetzung des Systems und die Simulation erfolgt innerhalb kurzer Zeit (mit der Auswahl der Option „Do Mesh Assembly“ wird die Mesh Fusion aktiviert).

CAD-Daten mit Vernetzung und Materialdaten weitergeben

Dreidimensionale Komponenten (also beispielsweise die CAD-Daten eines Steckverbinders) lassen sich inklusive Vernetzung, Definition der Materialeigenschaften oder mit Randbedingungen vom Hersteller an den Kunden und vice versa weitergeben. Das vereinfacht den Zeitaufwand des Berechnungsingenieurs ungemein und ermöglicht für den Einsatz der Komponenten im System die Genauigkeit der 3D-FEM-Simulation.

Komponentenmodelle einiger Steckerverbindertypen von Rosenberger (40; 70 und 110 GHz) und Samtec (High-Speed BtB; Flexible Stacking und HF) sowie Antennen bzw. passive Bauelemente von TDK und Johanson sind im aktuellen Release bereits hinterlegt und lassen sich per Drag-und-Drop-Funktion in das Design ziehen.

3D-FEM Systemvernetzung mit vorgefertigten Modulen

Auch bei der Systemvernetzung wurde mit vorgefertigten Modulen an den Zeitdruck des Berechnungsingenieurs gedacht: Wählbar sind Vernetzungsalgorithmen zur Diskretisierung einer Leiterplatte (Phi), eines Steckverbinders (Tau) und für einen Halbleiterchip mit Bonddrähten (Classic).

Die genannten Funktionen und Eigenschaften vereinfachen die Simulation in vielen Anwendungsgebieten: Von der Validierung und 5G/6G-Kommunikationstechnik (Antennen, Radarkuppeln) über Highspeed-Komponenten und Gigabit-Speicher bis zu EMV (Netzteile, elektrische Antriebstechnik) sowie Automotive-Anwendungen (ADAS).

Was ist FEM und was bedeutet das für hochfrequente Elektronik?

Die Finite-Elemente-Methode (FEM) ist ein numerisches Verfahren, bei dem der zu berechnende Körper in viele Teilstücke mit einfacher Form (meist Tetraeder) unterteilt wird. Das sind die finiten Elemente, also endlich kleine Elemente. Die Ecken der finiten Elemente (Verbindungsstellen) werden als Knoten bezeichnet. Das physikalische Verhalten dieser Elemente lässt sich aufgrund der einfachen Geometrie über Approximation (bekannte Ansatzfunktion mit dem Knoten als unbekanntem Parameter) in einem Gleichungssystem berechnen.
Erhöht man die Zahl der Elemente (d.h. verkleinerte Elemente) verbessert sich die Genauigkeit der Näherung (Lösung). Das ist das Prinzip der Vernetzung (Mesh) und des FE-Gleichungslösers (Solver). Der Solver berechnet das physikalische Verhalten der einzelnen Elemente unter bestimmten Bedingungen und Randbedingungen und wie sich das Verhalten auf benachbarte Elemente auswirkt.
Der Begriff Finite-Elemente-Methode wurde 1960 von R. W. Clough für die Strukturmechanik vorgeschlagen. Anfang der 1980er Jahre gelang es Dr. Zoltan Cendes und seinen Studenten, die Finite-Elemente-Methode für die Simulation hochfrequenter Elektronik nutzbar zu machen, indem das Problem der „Spurious Modes“ durch die Einführung sogenannter Nedelec Edge Elemente löste. Damit lassen sich die Maxwell‘schen Gleichungen in der Elektrotechnik durchgängig für jede sauber definierte Geometrie berechnen.
Die Entwicklungen führten 1984 zur Gründung der Firma Ansoft, die eng mit HP kooperierte. Ansoft wurde 2008 von Ansys übernommen. Die FEM hat sich im Laufe der Zeit vor allem aufgrund der Entwicklung der Computer- und Speichertechnik als Rechenverfahren in der Mechanik und Elektrotechnik durchgesetzt.
Meilensteine in der Elektrotechnik-Simulation stellten die Implementierung von CAD-Modellen in den 2000er-Jahren und die Lösung des „Dirty CAD“-Problems sowie die Nutzung von High Performance Computing (HPC) und von Layout-Tools (Altium, Zuken etc.) Mitte der 2010er Jahre dar. Den letzten verbliebenen Flaschenhals bildete die Vernetzungsdauer bei großen und komplexen Geometrien, da das Vernetzen extrem schwer für HPC zu parallelisieren ist.

Das Lizenzkonzept bei HFSS Mesh Fusion

HFSS ist als bezahlte Lizenz mit einer Aktualisierung zwei Mal im Jahr oder als Jahres-Leasing verfügbar und in den Lizenzmodellen Premium und Enterprise enthalten.

Bild 4: Einfaches Vernetzen und Feldsimulation am Beispiel einer Drohne mit Gehäuse, Leiterplatte, Kabeln und Antennen.
(Bild: Ansys)

Um die Rechenleistung zu steigern ist der Kauf der erweiterten HPC-Lizenz sinnvoll. Die Lizenz ist für alle Ansys-Produkte gültig und spielt ihre Vorteile vor allem bei der Multiphysics-Simulation aus (beispielsweise bei der Kopplung mit thermischer und mechanischer Simulation bei Antennen-Arrays und der Rückführung der Ergebnisse in HFSS).

Gespannt darf man auf das nächste Release HFSS 2021R2 sein, das für Anfang Juli 2021 angekündigt ist.

Unser Fazit: Mit Mesh Fusion wurde einer der letzten verbleibenden Engpässe in der elektromagnetischen Vollwellen-Solver-Technik überwunden: die Limitierungen bei Größe und Komplexität der Vernetzung. Die Dynamik ist in einem Bereich von sechs Größenordnungen nur innerhalb einer Komponente begrenzt. Es gibt keine Geometrie-Beschränkungen in einer Domäne mehr. Damit lässt sich die heute verfügbare Rechenleistung von Hochleistungsrechnern und verteilter Hardware für die Netzgenerierung nutzen und die Simulationszeit bzw. den Aufwand stark verringern.

Referenzen

[1] M. N. Vouvakis, Z. Cendes and J.-F. Lee, "A FEM domain decomposition method for photonic and electromagnetic band gap structures", in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 54, no. 2, pp. 721-733, Feb. 2006, doi: 10.1109/TAP.2005.863095.

[2] Z. Peng and J.-F. Lee, “Non-Conformal Domain Decomposition Method with Second-Order Transmission Conditions for Time-Harmonic Electromagnetics" in J. Comput. Phys, pp. 5615–5629, Aug. 2010, doi https://doi.org/10.1016/j.jcp.2010.03.049

[3] K. Zhao, V. Rawat, S.C. Lee, J.-F. Lee, "A domain decomposition method with nonconformal meshes for finite periodic and semi-periodic structures", in IEEE Transactions on Antennas and Propagation 55 (9), pp. 2559-2570

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