【Ansys HFSS】高周波3次元電磁界解析ソフトウェア

Ansys HFSS（High Frequency Structure Simulator）は、米Ansys社が開発・提供する、高周波および高速電子機器向けの3D電磁界シミュレーションソフトウェアです。高周波帯域における電磁界の挙動を精密に計算し、アンテナ設計や通信機器のシグナルインテグリティ（信号品質）評価などに広く利用される業界標準ツールです。動作周波数が高く、精度を要求されるRF/マイクロ波コンポーネントやシグナルインテグリティ設計者にとって不可欠なソフトウェアです。Ansys HFSSが設計ツールとして幅広く受け入れられている理由は、形状と材料定数、給電条件を定義するだけで、解析は全てAnsys HFSS任せにできるという点です。Ansys HFSSは、幅広いアプリケーションの構造物を効率的に解析するために、有限要素法、モーメント法、これらを組み合わせたハイブリッドソルバーなど複数のソルバーを提供しています。また各ソルバーは、高精度なメッシュを自動生成することで、あらゆる設計に利用することが可能です。  

1. コアテクノロジーと主な機能

HFSSは、計算電磁気学に基づく高精度なソルバーテクノロジーを中核としています。

• 有限要素法（FEM）ソルバー: 複雑な3D形状の電磁界解析に最も適した有限要素法（FEM）を採用しており、Sパラメータ、電磁界分布、アンテナの放射パターンなどを極めて高い精度で計算します。

• 自動アダプティブメッシュ生成（Auto-Adaptive Meshing）: HFSSの最大の特徴の一つです。ユーザーはCADモデルの形状、材料特性、およびポート（入出力端子）を定義するだけでよく、ソフトウェアが電磁界の勾配に応じてメッシュ（計算格子）を自動的に最適化・細分化します。これにより、メッシュ生成に関する専門知識がなくても、高精度な解を得ることが可能です。

• 多様なソルバーの統合: 周波数領域のFEMソルバーに加え、過渡応答解析用のタイムドメイン（時間領域）ソルバー、大規模なアンテナ配置問題に適したSBR+（Shooting and Bouncing Ray）ソルバーなど、目的に応じた複数の計算手法を同一インターフェース内で利用できます。

• HPC（ハイパフォーマンス・コンピューティング）連携: マルチコアCPUやクラスター環境を活用した並列計算技術（Domain Decomposition Methodなど）により、超大規模な電磁界モデルの計算時間を劇的に短縮します。

2. 主な適用領域（アプリケーション）

HFSSは、ミリ波やテラヘルツ波などの高周波帯域、およびGbpsを超える高速デジタル通信の設計において不可欠な役割を果たします。

• アンテナ設計と配置評価: スマートフォン、IoTデバイス、基地局、航空宇宙用レーダー、自動運転車載レーダー（ミリ波レーダー）などにおける単体アンテナの設計や、筐体に組み込んだ際の放射特性・干渉（アンテナ・プレースメント）の評価。

• RF/マイクロ波コンポーネント: フィルター、コネクター、導波管、カプラーなど、高周波を扱う受動部品の設計および特性最適化。

• シグナルインテグリティ（SI）およびパワーインテグリティ（PI）: プリント基板（PCB）やICパッケージ、高速コネクターにおけるクロストーク、反射、減衰の解析。PCIe、DDRメモリー、USBなどの高速シリアル伝送経路の品質確保。

• EMI/EMC（電磁干渉・電磁適合性）解析: 電子機器から放射される不要な電磁ノイズの予測と、ノイズ対策の検証。

3. 統合環境とマルチフィジックス連携

• Ansys Electronics Desktop (AEDT): HFSSは、Ansysの電磁界・回路シミュレーションの統合プラットフォームであるAEDT上で動作します。これにより、3Dモデルとシステムレベルの回路図を動的にリンクさせた解析（協調シミュレーション）が容易です。

• 他物理分野との連成（マルチフィジックス）: 高周波部品の発熱を評価する「Ansys Icepak（熱流体解析）」や、熱膨張による変形や構造強度を評価する「Ansys Mechanical（構造解析）」とシームレスに連携し、現実世界の過酷な環境下での信頼性を総合的に検証できます。

適用分野・アプリケーション

特長

設計内容・解析規模に応じた各種ソルバー

周波数ドメインソルバー

有限要素法を用いて周波数領域で電磁界解析を行い、S/Y/Zパラメータや放射特性、電磁界分布の表示が可能です。

Transientソルバー

Discontinuous Galerkin法によるTransientソルバーです。周波数領域と同じ高精度なアダプティブ・オートメッシュを利用した時間領域の解析が可能です。レーダークロスセクションや、ESD・落雷などの短時間のパルス励起による電磁界現象やTDRの解析が可能です。

Integral Equation ソルバー

Integral Equation(IE)ソルバーはモーメント法を用いて大規模な解析が可能です。従来の有限要素法では解析できない、または解析時間の長い人工衛星のアンテナの配置検討など大規模な解析が可能です。

Hybrid ソルバー

有限要素法とモーメント法の長所を組み合わせることで精度を保ちつつ大規模な解析を短時間で解析可能です。

Savant

レイトレース法（SBR+）による超大規模電向け磁界解析ツールです。多重反射を考慮した光学法により艦船、航空機レーダー、ミリ波レーダー、大規模電波伝搬環境の解析が可能です。

解析対象に合わせた 2種類のGUI

Ansys HFSSでは3次元構造物を作成・解析するためのGUIと、シグナルインテグリティの解析者を対象としたPCB層構成（スタックアップベース）のGUIを備えています。 PCB層構成のGUIではPCB CADデータを取り込み、電磁界解析による周波数特性を解析することで、配線やビアのクリアランス等の最適値を最適化することが可能です。さらに基板構造に最適化したメッシャーと実績のあるAnsys HFSSソルバーを使用するため、正確さと信頼性が必要なハイスピード伝送線路の解析に最適です。

正確な解析をご提供するAdaptive Auto Mesh（アダプティブ・オート・メッシュ）

長年実績のあるAdaptive Auto Mesh機能は、電磁界解析と同時にメッシュの最適化を行うアルゴリズムを採用しています。これにより、複雑な電磁界現象に対して効率よくメッシュを作成し少ないメモリで高精度な電磁界解析をご提供致します。

知的財産を保護してモデルを共有できる3次元解析モデルライブラリ (3D Component Library)

コネクタやアンテナ、チップ部品など、あらゆる場面で再利用が必要とされる解析モデルはAnsys電磁界解析専用の「3次元解析モデルライブラリ」としてファイル化することが可能です。ライブラリには3次元CAD情報だけでなく、Ansysの解析で必要となる材料定数や境界条件、メッシュ設定、変数リストも含まれています。
また、ライブラリはパスワードでモデルの情報を暗号化できるようになっており、知的財産を保護しながら第三者に Ansys 電磁界モデルを提供することが可能です。これにより企業間の垣根を超えた協調設計をサポートします。

回路の動作条件を電磁界解析に反映させる Push Excitation

回路が動作時の電流・電圧条件から電磁界解析の励振条件を決定するPush Excitation機能により、実動作の電磁界分布を求めることが可能です。

大規模解析を可能にするHPC（ハイパフォーマンス コンピューティング）

Ansys のHPC技術により、これまでにないより大規模で複雑な電磁界の問題を高速にHFSSで解決できます。

マルチプロセッシング解析

単一ノードに搭載された複数のCPUコアを使用することで、解析時間を短縮することが可能です。

解析領域分割

大規模かつ複雑な形状をネットワークに接続されているコンピュータに分散して解析することで、コンピュータのメモリを活用し、高速に解析することが可能です。

周波数スイープ分散解析

ネットワークに接続されているコンピュータに、解析したい周波数を分散して解析することで高速に解析することが可能です。

GPUコンピューティング

Transient解析の解析速度向上のため、GPUコンピューティング・リソースを活用した解析が可能です。

機能

解析エンジン

• フルウェーブ有限要素法
  • ベクトル辺要素を採用し、スプリアス解を完全に除去
  • 1次要素から3次要素まで自由に選択できる基底関数
  • 直接演算法と繰り返し演算法から選択できる演算手法
  • 用途に合わせて選択できる3つの周波数Sweep（Discrete,Fast,Interpolating）
• Discontinuous Galakin法によるTransient Solver
• モーメント法をベースとしたIntegral Equation Solver
• 大規模解析に特化したPhysical Optics Solver
• 有限要素法とモーメント法を融合させたHybrid Solver
• 領域分割並列処理に対応したDomain Deconposition
• 固有値解析
• PCB,ICに特化した有限要素法Solver
• 線形回路解析
• Shooting Bouncing Ray法による超大規模問題電波伝播問題に対応したSavant Solver

出力結果

• S/Y/Zパラメータ
• ディファレンシャルコモン伝送特性
• TouchStone、Spice用ネットリスト
• TDR
• Port面の伝送モードと特性インピーダンス、伝搬定数
• 放射特性（放射パターン、アンテナゲイン、1/3/10m放射電界強度）
• Monostatic/Bistatic RCS（レーダクロスセクション）
• 電磁場分布表示（スカラー/ベクトル場）
• SAR

カスタマイズ

アプライドでは、 Ansys エレクトロニクス製品をご利用中のお客様向けに様々な自動化機能をご提供しています。