CST入门

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2024-07-17 06:14| 来源: 网络整理| 查看: 265

目录 1. 高频电磁仿真求解器简介1.1. 时域求解器 Time Domain Solver(主)1.2. 频域求解器 Frequency Domain Solver(主)1.3. 本征模求解器 Eigenmode Solver1.4. 积分方程求解器 Integral Equation Solver1.5. 多层平面矩量法求解器 MultilayerSolver1.6. 渐近求解器 Asymptotic Solver 2. 时域求解器的使用2.1. 时域求解器概述2.2. 使用领域2.3. 求解器设置2.3.1. 须知2.3.2. 启动2.3.3. 设置 3.频域求解器的使用3.1Method3.1.1 Broadband sweep3.1.2 Properties3.1.3 Mesh type 3.2 Results3.2.1 Store result data in cache3.2.2 Calculate port modes only3.2.3 Normalize S-parameter to 3.3 Excitation3.4 Frequency samples3.5 Adaptive mesh refinement frame3.6 Sensitivity analysis frame 4. 积分求解器的使用4.1. Accuracy settings4.2. Excitation / CMA settings4.3. Results4.4. Normalize S-parameter to4.5. Frequency samples frame4.6. Monostatic RCS sweep frame

1. 高频电磁仿真求解器简介

各种求解器

1.1. 时域求解器 Time Domain Solver(主)

CST的时域求解器有两种,都基于六面体网格。可以通过一次计算运行获得模拟设备的整个宽带频率行为,求解器对于大多数高频应用都非常有效,如连接器、传输线、滤波器、天线等。

1、暂态求解:暂态求解基于有限积分技术(FIT),与使用传统六面体网格的模拟技术相比,该求解器能够大幅提高模拟的精度。一般就用这个

2、TLM求解器:TLM求解器使用传输线矩阵(TLM)方法提供了精确的宽带结果,并提供了非常高效的基于八叉树的网格算法,有效地减少了整体单元数。这种求解器特别适合于EMC/EMI/E3应用。TLM时域求解器采用传输线矩阵法(TLM)这一新的算法,主要用于电磁兼容和电磁干扰(EMC\EMI)应用和天线布局问题。

在时域求解器参数对话框中,可以通过分别选择六面体或Hehahedral TLM网格类型来选择瞬态或TLM求解器。

在这里插入图片描述

1.2. 频域求解器 Frequency Domain Solver(主)

与瞬态求解器一样,频域求解器模块的主要任务是计算s参数。由于每个频率样本都需要建立和求解一个新的方程系统,除非采用特殊的方法加速后续的频域求解,否则计算时间与频率样本之间的关系是线性的。此外,频域求解器是强谐振结构的一个很好的选择,因为这些结构的标志是时域信号的长固定时间。而且电场和磁场监测仪可以在一个后处理步骤中以给定的频率非常快速地计算出来。

1.3. 本征模求解器 Eigenmode Solver

本征模求解器用来计算封闭器件内的谐振场分布,CST微波工作室提供了AKS和JDM两种算法的本征模求解器在强共振无损耗结构的情况下,需要计算场(模),本征模求解器是非常有效的。这种分析通常用于确定高谐振滤波器结构的极点。当然,本征模求解器也有不同的应用:例如,有周期边界和非零相移时,本征模就是行波。本征模解算器直接计算结构中可能存在场的前N个频率,以及相应的场模式。对于Jacobi-Davidson方法(JDM)特征模求解器和具有四面体网格(Default和Preview)的特征模求解器,可以选择一个频率目标,使特征模从频率目标按升序计算。

1.4. 积分方程求解器 Integral Equation Solver

主要用于求解电大尺寸的结构的辐射和散射问题,可分析的结构尺寸可以达到几十甚至几百个波长,应用范围包含天线辐射、多天线的EMC/互扰分析、天线布局优化和目标物体的RCS研究。积分方程求解器的应用领域是s参数和Farfield/RCS计算。积分方程求解器对电大尺寸型模型特别有用。计算区域的离散化被简化到物体边界,从而得到一个比体积法具有更少未知数的线性方程组。系统矩阵是密集的。为了提高计算效率,采用多级快速多极子法求解方程组。积分方程求解器可用于平面波激励和离散面端口。支持电子边界和开放边界。可以设置远场监视器和表面电流监视器。求解器采用自适应选择的频率样本进行宽带s参数模拟,以减少求解器的运行次数。对于电小尺寸的问题,可以使用直接求解器。积分方程求解器也可以用于任何其他开放问题。

1.5. 多层平面矩量法求解器 MultilayerSolver

专用于多层平面结构的矩量法求解器。该求解器支持开放辐射边界条件,自动进行边缘处网格加密,自动进行端口的去嵌处理。叠层结构可以直接从三维结构获得,可以不是严格的平面结构。特别适用于平面微带天线、平面结构滤波器、微波毫米波集成电路(MMIC)、低温共烧陶瓷(LTCC)电路以及平面馈电网络的仿真设计。多层求解器是一种用于平面建模和分析的三维平面电磁求解器。它以矩量法(MoM)为基础,使用户能够准确、高效地模拟多层几何图形。该求解器具有从3D模型自动层堆叠生成、自动边缘网格细化以及自动去嵌入端口的功能。典型的应用是射频设计,如平面天线和滤波器,以及MMIC和平面馈电网络设计。随着新的多层求解器与CST Design Studio在2D中对复杂微带和传输线的精确联合仿真变得比以前更容易,与CST的新系统组装和建模(SAM)一起,您可以使用新的求解器更有效地模拟复杂系统的平面组件。多层求解器的另一个应用领域是特征模态分析。

1.6. 渐近求解器 Asymptotic Solver

渐近解算器是对高频积分方程解算器的补充。该解算器基于射线追踪方法(射击和反射射线,SBR),这对于单静态和双静态散射和成像计算以及电大尺寸的物体的天线放置研究非常有效。计算既可以通过散射独立的射线来完成(对于几何复杂的结构更稳健),也可以通过使用射线管(对于电大尺寸的物体更快)。该求解器支持RCS和远场计算以及开放边界和真空背景材料。

2. 时域求解器的使用 2.1. 时域求解器概述

时域求解器可以通过一次计算运行获得模拟设备的整个宽带频率行为,对于大多数高频应用,如连接器、传输线、滤波器、天线等,时域求解器是非常高效的。

在CST Studio Suite®两个高频时域求解器是可用的。一种是基于有限积分法(FIT),简称瞬态求解器;另一种是基于传输线法(TLM),简称TLM求解器。两种求解器都工作在六面体网格上,然而,网格设置略有不同,分别分为六面体和六面体TLM网格类型。

2.2. 使用领域

散射参数矩阵(s参数); 不同频率的电磁场分布; 天线辐射图及相关天线参数; 信号分析如上升时间等,包括spice网络提取; 结构设计采用优化器或参数扫描; 时域反射; 使用远场/RCS监视器的雷达横截面计算;散射材料仿真;

2.3. 求解器设置 2.3.1. 须知

只有当至少有一个端口或其他激励源(如平面波源或远场或近场源)被定义时,才能启动求解器运行。

如果定义了多个端口,那么在启动求解器时,这些端口可能以以下四种不同的方式受到刺激: 1、随着所有端口的依次刺激; 2、只有一个端口受到刺激; 3、通过顺序刺激一些选定的端口; 4、同时刺激一些选定的(或所有)端口

要启动求解器,首先要删除其他求解器(频域求解器、本征模求解器等)的所有结果。只要不受时域求解器设置、时域求解器参数、源定义或建模结构中的任何更改的影响,同一时域求解器的旧结果就不会被删除。

在解决程序完成后,可以通过选择Post-Processing: Manage Results > logfile查看日志文件。日志文件包含求解器设置、网格摘要、求解器结果和求解器统计信息。

2.3.2. 启动

可以在时域求解器控制对话框中启动求解器,该对话框可以在主菜单中选择“模拟:解决>设置求解器>时域求解器”打开。 在这里插入图片描述

2.3.3. 设置

1、Mesh Type 这个设置决定使用哪个求解器。选择六面体时使用瞬态求解器,选择六面体TLM时使用TLM求解器。

2、Accuracy 此设置定义稳态监视器。它会影响模拟的持续时间。它是由时间信号的傅里叶变换计算出的频域信号的精度值。

计算精度的值是用的时间信号的振幅以及计算域内的总能量。可以在1D Results文件夹中找到对应的对数刻度能量曲线,当达到定义的精度水平时,模拟停止。在某些情况下,由于提到的时间信号的准确性检查,计算可能会持续更长一点。

3、Source type 在这里定义激励类型,选择端口和平面波激励。只有在结构中定义了某些端口(波导或离散端口)或平面波时,才可以进行选择。不同源类型的进一步规格可以在相应的对话框中设置解决>波导端口/离散端口/平面波。您可以从导航树中选择一个现有的或定义一个新的参考激励信号,或为每个选择的端口分别确定不同的信号。 在这里插入图片描述

4、S-parameter settings Normalize to fixed impedance:s参数总是归一化为参考阻抗。您可以选择将它们规范到激励端口的计算阻抗,也可以指定您所选择的数字。

S-parameter symmetries:选择这个检查按钮激活s参数列表中的s参数对称设置…对话框。这些设置应该根据发生的结构对称进行,以节省模拟时间。求解器只启动必要的计算运行;其余的结果将被复制,包括时间信号。对称条件只适用于选定的端口模式激励。

5、Adaptive mesh refinement 标记此复选框以激活自适应网格细化。通过计算电磁场能量增加网格线或依次改变网格系统的设置,对网格进行自适应优化。按自适应属性…按钮编辑网格细化的当前设置。

6、Sensitivity analysis 使用灵敏度分析:标记此复选框以运行灵敏度分析。在这种情况下,计算暂态求解器运行的所有简单参数的导数。结果(例如s参数对设计参数的导数)可以通过导航树中的1D结果访问。

7、Start 计算端口模式并启动时域计算。

8、Close 关闭此对话框,不执行任何其他操作。

9、Apply 存储当前设置。对话框保持打开状态。

10、Optimizer… 此按钮将打开一个对话框,允许您设置并启动优化运行。

11、Par. Sweep… 打开参数扫描对话框。

12、Acceleration… 打开加速对话框,以控制模拟运行的高性能选项(例如GPU加速、分布式计算、MPI)。

13、Specials… 这个按钮会打开一个对话框,在这个对话框中可以对求解器进行进一步的特殊设置。这些设置只适用于专家用户,一般不应更改。

14、Simplify Model… 打开简化模型对话框。

3.频域求解器的使用 3.1Method 3.1.1 Broadband sweep

频域求解器使用特殊的宽带频率扫描技术,以便从相对少量的频率样本中获得完整的宽带频谱。General purpose 相当于作为通用扫描的替代方案,也可以使用快速降阶模型扫描 a Fast reduced order model sweep,它可以通过很少的方程系统求解运行有效地生成宽带结果。如果只对几个特定频率的结果感兴趣,则可以使用Discrete samples only选项。

在这里插入图片描述

3.1.2 Properties

配置通用或快速降阶模型宽带s参数扫描的收敛条件,或设置结果的宽带数据分辨率。

3.1.3 Mesh type

对于几何的离散化,四面体或六面体网格都可以在求解器开始之前可以根据需要选择。大多数功能都可以使用默认的四面体网格。

3.2 Results 3.2.1 Store result data in cache

如果希望将求解器结果存储在结果数据缓存中,则选择此选项。基本上,这是在项目目录的子文件夹中对求解器结果的备份,例如可以在参数扫描或优化器运行中存储每个参数组合的所有结果。请注意,对于一维结果的参数化存储,该选项是不需要的

3.2.2 Calculate port modes only

启用此复选框可在不运行完整3D模拟的情况下计算中心频率下的波导端口模式。这个选项对于快速检查什么样的波导端口模式稍后将被用于允许场传播出结构是很有用的,就像半无限长的波导被附加到波导端口上一样。

3.2.3 Normalize S-parameter to

s参数总是归一化为参考阻抗。可以选择将它们归一化到激励端口的计算阻抗,也可以指定自己所选择的数字。只有当所有的s参数都被计算出来,也就是说,当所有的端口和模式都被激发时,才有可能归一化为固定阻抗。

3.3 Excitation

选择激励源,与其他求解器设置类似

3.4 Frequency samples

可以修改频率采样定义列表来定义一个或多个四面体网格细化频率,在给定的间隔内强制执行对数采样,或者通过只选择单个频率而不是宽带结果来加速模拟。

通过在相应的列中输入值,频率采样列表允许轻松定义频域求解器模拟点的数量、间隔和采样方法。样本可以是单频、等距分布或对数间距,也可以是在给定范围内自动选择的频率。如果没有定义样本的数量(留白),只要满足s参数扫描收敛准则,求解器就会停止计算额外的样本。

自然地,模拟时间随着频率样本的数量而增加。这种关系可能近似线性。然而,如果使用迭代方程系统求解器,初始解是从目前计算的数据中推导出来的,从而减少了模拟时间方面的额外成本

3.5 Adaptive mesh refinement frame

Adaptive tetrahedral mesh refinement:标记此复选框,为四面体网格激活单频自适应网格细化。网格将在样本列表中指定的自适应频率下进行自适应优化。按下属性…按钮编辑自适应四面体网格细化的当前设置。

Adaptive hexahedral mesh refinement: :标记此复选框以激活六面体网格的自适应网格细化。通过依次改变网格系统的设置,对网格进行自适应优化。按下属性按钮编辑自适应六面体网格细化的当前设置。

3.6 Sensitivity analysis frame

标记此复选框以启用灵敏度分析结果的计算。然后在频域求解器样本上计算s参数的导数,相对于设计参数或位移场。可以通过导航树中的1D结果查看结果。在通用或快速降阶模型频率扫描中,灵敏度通过有理插值插值得到。 按下属性按钮可以选择设计参数进行灵敏度分析。

4. 积分求解器的使用

积分求解器设置

4.1. Accuracy settings

有几种精度级别可供选择: 1、低:这些设置是为快速模拟而优化的,以牺牲精度为代价。 2、中等:这些设置通常提供模拟速度和准确性的良好折衷。 3、高:这些设置是为精确度而优化的,代价是模拟速度。 4、自定义:用于个人设置。

如果在激励设置框中选择CMA,可以在以下设置之间进行选择: 1、默认设置:这些设置非常适合大多数计算。 2、自定义:用于个人设置。

4.2. Excitation / CMA settings

Source type:在这个下拉列表中,您可以选择用于积分方程求解计算的源,用于s参数计算的端口,平面波或激励列表。所选的源将受到刺激。对于s参数端口,它定义了s参数矩阵的哪一行将被计算。选择All Ports计算端口的完整s参数矩阵。选择List条目会出现一个新的按钮。一种端口模式或激励的特殊组合。如果定义了当前源或远场源,则必须在列表中选择它们。还可以在列表中选择已定义的同步激励。

选择CMA执行特征模态分析(详细信息请参见特征模态分析概述)。

4.3. Results

Store result data in cache:如果希望将求解器结果存储在结果数据缓存中,则选择此选项。基本上,这是在项目目录的子文件夹中对求解器结果的备份,例如在参数扫描或优化器运行中存储每个参数组合的所有结果。请注意,对于一维结果的参数化存储,该选项不是必需的(详细信息请参见参数化结果概述)。

Calculate port modes only:启用此复选框可在不运行完整3D模拟的情况下计算中心频率下的波导端口模式。这个选项对于快速检查什么样的波导端口模式稍后将被用于允许场传播出结构是很有用的,就像半无限长的波导被附加到波导端口上一样。

4.4. Normalize S-parameter to

s参数归一化,和时域求解器设置一致

4.5. Frequency samples frame

样本列表:频率样本列表允许您通过在相应的列中输入值,方便地定义积分方程求解仿真点的数量、间隔和采样方法。样本可以是单频率的、等距分布的或在给定范围内自动选择的。当没有定义样本数量(留空)时,只要满足s参数扫描收敛准则,求解器就会停止计算额外的样本。

如果省略了频率范围(从和到列)的上限或下限(留空),则将使用全局频率范围。请注意,全局最大频率范围显示在第一行。要更改这些值,您可以进入频率范围设置对话框在主菜单下解决>频率…

无效设置将用红色背景颜色标记。右键单击突出显示的单元格,并从上下文菜单中选择Help以获得提示。示例定义(列表中的行)可以使用上下文菜单删除,也可以直接按delete键删除。

如果在启用停止判据的情况下执行宽带频率扫描(默认情况,请参阅求解器采样),频率采样的数量定义了单个s参数计算的积分方程求解器运行的最大次数。自然地,模拟时间随着频率样本的数量而增加。这种关系可能近似线性。

Use broadband frequency sweep:通过使用尽可能少的频率采样来计算宽带s参数曲线,以达到在求解器采样对话框中定义的停止准则。在这种频率扫描模式下,频率采样的数量是一个上限。至少需要三个样本。

按下Properties按钮,配置宽带s参数扫描的收敛条件。

4.6. Monostatic RCS sweep frame

使用此选项可对可选的观测角度和入射场设置启用快速单静态RCS扫描。

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