HFSS和CST究竟該怎么選？

一 、連接器概述

連接器是我們電子工程技術(shù)人員經(jīng)常接觸的一種部件。它的作用非常單純：在電路內(nèi)被阻斷處或孤立不通的電路之間，架起溝通的橋梁，從而使電流流通，使電路實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。

連接器是電子設(shè)備中不可缺少的部件，順著電流流通的通路觀察，你總會(huì)發(fā)現(xiàn)有一個(gè)或多個(gè)連接器。連接器形式和結(jié)構(gòu)是千變?nèi)f化的，隨著應(yīng)用對(duì)象、頻率、功率、應(yīng)用環(huán)境等不同，有各種不同形式的連接器。

市場(chǎng)需求瞬息萬變，使得連接器的設(shè)計(jì)趨于多樣化，新產(chǎn)品研發(fā)周期縮短，從而增加了產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)的難度。在長期摸索實(shí)踐，總結(jié)出指向解決這一難題唯一的解決辦法—數(shù)值模擬仿真。

隨著國家對(duì)數(shù)字化進(jìn)程的推進(jìn)，研發(fā)是一個(gè)國家高科技產(chǎn)品發(fā)展的基礎(chǔ)和核心。數(shù)字化研發(fā)自然也被制定在數(shù)字化進(jìn)程之內(nèi)，5G建設(shè)等新型產(chǎn)業(yè)也不但發(fā)展，萬物互聯(lián)技術(shù)得到不但推廣，在推廣過程中，各式各樣的連接器層出不窮。

為了節(jié)約成本，企業(yè)更愿意在前期研發(fā)階段，模型階段就能解決連接器的所有潛在問題。一般連接器都是非規(guī)則模型。如果單靠經(jīng)驗(yàn)的簡(jiǎn)單計(jì)算，是無法計(jì)算準(zhǔn)確的，因?yàn)槠涓静淮嬖诮馕鼋?。因此像ANSYS等知名數(shù)值仿真公司推出了連接器仿真等前期預(yù)測(cè)技術(shù)，讓客戶在模型階段即可解決多數(shù)問題，在測(cè)試階段盡量減少更多修改循環(huán)，從而能使研發(fā)成本得到很大壓縮。常用連接器模型如下圖：

圖1 連接器類型

二、不同連接器仿真常用參數(shù)

連接器仿真主要分為電磁仿真和結(jié)構(gòu)仿真。其中電磁仿真主要電磁模擬仿真電磁信號(hào)通過連接器后的性能情況。

對(duì)于單針或同軸連接器主要關(guān)注連機(jī)器的阻抗隨頻率的變化。對(duì)于多針連機(jī)器，主要關(guān)注連接器單針的阻抗特性，插入損耗，及針與針之間的能力耦合，隔離度。有的企業(yè)也會(huì)關(guān)注實(shí)際信號(hào)進(jìn)入其中某一引腳后的引腳與引腳在之間的實(shí)際電磁耦合，這所有的需求都需要相對(duì)專業(yè)的仿真技術(shù)來解決。

圖2連接器

三、企業(yè)仿真連接器現(xiàn)狀

就當(dāng)前電磁仿真技術(shù)來講，目前市面上真正懂電磁的電磁仿真工程師相對(duì)較少。而由于電磁這種物質(zhì)本身較為抽象，從軟件操作到懂電磁的過程，還需要深入理論基礎(chǔ)的理解及工程實(shí)踐經(jīng)歷的支撐，培養(yǎng)周期較長。

目前專業(yè)只針對(duì)特定的連接器電磁仿真培訓(xùn)及課程極為罕見。因?yàn)閺难邪l(fā)角度講，其是一種用于研發(fā)領(lǐng)域的核心技術(shù)，對(duì)人員要求有一定門檻，即使某些企業(yè)存在懂的工程師也少把多年研究的成功拿出來作為培訓(xùn)材料。

對(duì)此仿真秀致力于開發(fā)符合需求的培訓(xùn)課程成為了一種可能，目前已經(jīng)開發(fā)多套課程，并定期可客戶做線上交流及案例分享。

四、如何學(xué)好連接器仿真技術(shù)基礎(chǔ)

對(duì)于對(duì)連接器仿真技術(shù)感興趣的朋友要真正了解電磁仿真技術(shù)需要具備三方面的素質(zhì):

需要對(duì)電磁仿真技術(shù)基礎(chǔ)有深入理解

需要對(duì)仿真軟件怎么使用有豐富經(jīng)驗(yàn)

最好有通過電磁仿真研發(fā)產(chǎn)品的經(jīng)歷，能夠不但反思理論和工程經(jīng)驗(yàn)的關(guān)系，通過理論真正指導(dǎo)實(shí)踐

圖3研發(fā)流程

五、連接器仿真軟件選擇

在研發(fā)過程中，仿真軟件如何選擇，是我們每個(gè)工程師關(guān)注的問題，本著幾條原則來做：

仿真準(zhǔn)確性

工程應(yīng)用性

仿真效率

目前在行業(yè)中做電磁仿真的軟件主要有HFSS和CST。CST大多數(shù)經(jīng)驗(yàn)是比較快速，而HFSS 相對(duì)比較慢，但HFSS換來更精確。從算法比較CST主打算法為FDTD,HFSS為FEM,兩種算法對(duì)比如下：

1) FEM沒有YEE元胞的限制，剖分單元可以是任意形狀，一般采用四面體，曲邊四面體等，可以根據(jù)實(shí)際研究的物理對(duì)象的實(shí)際形狀實(shí)現(xiàn)最佳的擬合。比如其剖分有曲面三角形，實(shí)現(xiàn)對(duì)研究對(duì)象邊緣的最佳擬合。而FDTD限制使用YEE元胞，對(duì)于球體來說，在邊緣對(duì)球體的擬合度不高，導(dǎo)致FDTD誤差更大。

(2) FEM不存在數(shù)值穩(wěn)定性問題和色散問題，而FDTD時(shí)間步和空間步大小取值相互制約，尤其本身的數(shù)值差分算法特性導(dǎo)致數(shù)值色散問題，導(dǎo)致更大的誤差。因此有限元對(duì)工程人員設(shè)置的方面要求低，而FDTD要求工程人員更加專業(yè)。門檻更高，才能得到準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

(3) FEM在任意介質(zhì)的分界面處自動(dòng)滿足邊界條件，其能很好的適應(yīng)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)。而FDTD對(duì)于小而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生更大的誤差。

(4) 對(duì)于電大尺寸FDTD計(jì)算更快，F(xiàn)EM速度稍慢，ANSYS已經(jīng)產(chǎn)生對(duì)于這個(gè)問題的具體相應(yīng)算法，能提供兼顧速度和精度的混合算法，比如SBR。

另外從EDA集成度來看CST和HFSS相當(dāng)，多物理層耦合領(lǐng)域ANSYS更為專業(yè)。

審核編輯 ：李倩