Ansoft(2008年與ANSYS合併)是一家做電磁模擬軟體的老字號公司，其方案垂直整合，從IC--Package--PCB--機構--全系統模擬，可透過不同的方案萃取出參數/模型後，在單一平台上(Designer或Simplorer)整合模擬。

這裡要談的是HFSS(High Frequency Structure Simulator)，這是一套被廣範使用的3D電磁模擬軟體(3D full-wave solver)，採用所謂"有限元素分析"(Finite Element Method, FEM)，也是目前業界在模擬準度上最廣被認可的3D EM tool。有頻域與時域求解技術、萃取S參數，廣泛用來做天線設計、連接器設計、封裝設計...等模擬。

1. Basic FEM Theory of HFSS

2. HFSS Boundary Condition

3. HFSS "Getting Started Guide" -- Floquet ports by HFSS 2020R2

4. Waveguide

   • HFSS "Getting Started Guide" -- Waveguide, Waveguide Optimization by ANSYS HFSS 2020R2. 範例
     當波導管的截面寬=波長/2時，稱為截止頻率，此時會引起諧振，故波導管是傳送截止頻率以上電磁波的一種高頻帶濾波器。

   • Rectangular Waveguide, Video1, Video2

5. Antenna Design

   • Patch Antenna Design. 範例
     對於2.45GHz patch antenna的3D模型建立、特性評估、變數設定、求設計參數最佳化，有深入的說明

   • Dual Mode Waveguide Horn Antenna. 範例

   • Designing a Dipole Antenna in ANSYS HFSS - Part I
     Designing a Dipole Antenna in ANSYS HFSS - Part II
     Designing a Dipole Antenna in ANSYS HFSS - Part III

   • Array Antenna (待新增)

6. Signal Integrity (SI)

   • 3D 過孔(via)設計

   • HFSS 3D Layout, 範例

   • 先進封裝模擬設定, 範例

   • 軟板彎折對SI的影響, 範例

   • 切割的(不連續)迴流路徑, 範例

   • Stripline Differential Pair, 範例

   • HFSS 3D vs. HFSS 3D Layout, 範例

   • HFSS 3D Layout軟板彎折方案, 範例

   • 半導體與TSV(Through-Silicon Via)模擬, 範例

   • HFSS 3D Layout端對端解決方案(封裝+PCB+連接器), 範例

   • HFSS與Q3D對於DC R，以及用Layered Impedance做Cu-Ni-Au鍍層, 範例  (2012年度精選)

7. 封裝模擬

   • (L)QFP 3D建模
     舊方法：AutoCAD圖檔前置處理+LQFP手動建模
     新方法：R18 SIwave -- Lead Frame Editor YouTube 優酷 (Video)

   • LQFP模擬

   • LQFP內的干擾分析

8. EMC

   • IC EMC, 範例  (2018年度精選) 

   • Ground Shield Simulation, 範例

   • 連接端子的(絞)纜線EMI模擬, 範例 (施工中)

   • ESD Gun Model and ESD Simulation, 範例 (2013年度精選)

   • Low Frequency Shielding (LF Shielding). 

   • Shielding Effect and Shielding Case Analysis. 範例

   • Radiated EMI Analysis using Simplorer+HFSS, 範例

9. Material Effects for Super High-Speed 10G~

   • Surface Roughness Effect. 範例  (2015年度精選)

   • Frequency dependent materials.

   • PCB glass-fiber laminate weave effect

10. 量子電腦

    • IBM發佈對於超導量子晶片的電磁模擬開源工具Qiskit Metal (背後使用HFSS)

ANSYS軟體在安裝目錄下C:\Program Files\AnsysEM\AnsysEMxx.x\Win64\Help文件夾，裡面有多份教學文件與使用手冊；同目錄下還有一個Examples文件夾，裡面有許多教學範例檔案

Application Notes

AN 01：How to do Wave Port, 範例

AN 02：How to do Lump Port, 範例

AN 03：More Detail about Wave port and Lump port. 範例

AN 04：HFSS Tricks.

AN 05：HFSS TDR Notices, 範例

AN 06：如何以HFSS正確地抽"單一"電感元件模型：乍看很簡單，其實很有學問, 範例

AN 07：如何在電容位置下port，讓電容於電路外接做模擬? 範例

Q & A  (點擊以下項目，展開內容)

• HFSS各版的主要新增功能

-- HFSS v12：Mixed order basis solver, DSO (Distributed Solver Option), DDM (Domain Decomposition Process), TAU(Top-down meshing algorithm), HF-IE with MOM, Curvilinear element meshing, Port Post-process(de-embed)
-- HFSS v13：FEBI (Finite Element-Boundary Integral), Transient mode, Real-time Tune report
-- HFSS v14：ECAD and Field solver improve, SoD (Solver on Demand)
-- HFSS v15：HPC performance enhance, Advanced DC extrapolation, pre/post-process multi-process, HFSS to IcePak thermal link, Array Antenna mask. 新功能可從[Help]\[What's New in this Release]檢視
-- HFSS 2014(R15)：HPC performance enhance、HFSS 3D layout (more faster for PCB analysis), 3D component library (module reusable)、External near-field link
-- HFSS 2015(R16)：Implicit Transient FEM Solver, 3D Components with password
-- HFSS 2016(R17)：3D Component with Hidden Content,Layout-Driven Assembly for 3D Layout, Shell Elements BC, Project Sheet Enhancement
-- HFSS 2017(R18)：Broadband adaptive mesh, Auto. detect to use phi mesh for traditional 3D HFSS
-- HFSS 2018(R19)：TD and HFSS-IE solver is added in HFSS now, HFSS 3D layout supports Auto-CPM workflow, HFSS+Savant link easily, Ribbon UI, Enhanced low frequency sweep interpolation and DC extrapolation (R19.2)
-- HFSS 2019R1(R19.3)：Hybrid FEM-IE solver improvements for antenna, 3D layout assembly enhancement, 3D layout dielectric stackup simplification
-- HFSS 2020：3D Component Antenna Arrays, Extract fields between hybrid regions, ECAD Xplorer, 3D layout is more faster and robust for interposer (IC model type), and supports new stackup definition of XML to group vias and aligne edge automatically.
-- HFSS 2021：Mesh Fusion in 3D Layout and HFSS 3D, Encrypted 3D components in 3D Layout. Q3D for DC solving in HFSS 3D, new Phi+ mesher in 3DL (beta) good for bond wire mesh.
-- HFSS 2022：Auto generation of HFSS regions in HFSS 3DL, HFSS 3D Layout Flex PCB workflow, Phi+ integrated in HFSS Mesh Fusion, Broadband fast sweep, Auto select Direct/Iterative solver.
-- HFSS 2023：Arbitrary backdrill depth in HFSS 3D Layout, AMD Math Library for Direct Matrix Solver, RaptorX and Q3D integration in HFSS 3D Layout IC mode, Parallel Adaptive Refirement in 3D Layout IC mode.
-- HFSS 2024R1：Encrypted Technology Support in HFSS 3D Layout IC Mode, Flex PCB support for Layout Components.

• 如何分辨真正的3D EM solver

並非有FEM或是能show far field就是true 3D solver。筆者是以下列兩個角度判斷
-- 能解任意3D結構，比方PCB+Connector，或是同一layer層中，在不同區域可support不同材質
-- 須設air box boundary，有真正求解空間場

• 如何設定讓HFSS自動忽略材質之間的衝突

HFSS \ Design Settings \ Enable Material Override

• 如何匯入新的材質(import material libraries)

Tools \ Configure Libraries

• 如何快速讓HFSS的模型檢視變成正視或側視圖

Alt + 左鍵雙擊：於上區域 -> 正視位                      
                        於下區域 -> 背視位                      
                        於左右區域 -> 側視位

• 如何讓HFSS、Q3D、Maxwell的3D\2D model能快速互通使用

直接按Ctrl+C、Ctrl+V即可(含材質屬性)，不需要再靠Export/Import from ANSYS R13

• 如何讓HFSS可以享有PC較多運行資源，如雙CPU、多PC分散式處理或high process priority?

Tools \ Edit Active Analysis Configuration設定multi-process，Tools \ Options \ HPC and Analysis Options

網路資源

[1] 微波射頻網 -- 這個網路論壇內，有個"HFSS應用"討論區，裡面有很多教學文件，註冊該論壇即可免費取得

[2] 微波仿真網 -- 這個網路論壇內，有HFSS、ADS、CST、微波理論、EMC...等討論專區

[3] 華為公司內部的"天線課程" (2562K)

[4] Waveguide Antenna、Waveguide Filter

[5] 這是兩篇是在網路上找到，很正規介紹如何"算出"適合的patch antenna design的資料(Ref. 1 , 2)  

[10] Altera SI中心、Xilinx SI中心、Sigrity技術中心

天線/電磁波/HFSS 參考書籍

[1] Constantine A. Balanis, "Antenna Theory - Analysis and Design, Third Edition", p.819~820, 2005

[2] 電磁波--傳輸、輻射、傳播(簡體)，王一平 郭宏福 著，西安電子科技大學出版社，2006

[3] 天線設計與應用--使用Ansoft HFSS模擬器，鄧聖明、蔡慶隆、柏小松 博士，鼎茂圖書出版股份有限公司，2009

[4] Ansoft HFSS基礎及應用(簡體)，謝擁軍 王鵬 李磊 周建華 雷振亞 編著，西安電子科技大學出版社，2007

[5] Ansoft HFSS原理與工程應用(簡體)，謝擁軍  劉瑩 李磊 丁海強 雷振亞 編著，科學出版社，2009.09

[6] Frane's RF Technology