CST微波工作室仿真快速入門教程

2017-04-22 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

前言:這個教程是在本人2014年在德國留學(xué)時給研究生上課時準(zhǔn)備的,主要介紹了CST微波工作室的算法原理、操作流程,并進行案例演示和技巧討論,此處重新整理,供大家參考。

先講講CST由來的小故事:CST全稱Computer Simulation Technology,是德國教授Prof. Dr.-Ing. Thomas Weiland的杰作,他博士二年級提出了CST核心算法有限積分技術(shù)(Finite Integration Technique -FIT,1977年發(fā)表[1]),第三年就從達姆施塔特工業(yè)大學(xué) (Technische Universit?t Darmstadt)博士畢業(yè)了。

博士畢業(yè)后,他先后在德國、美國、日本等多個學(xué)校和研究所任職,積累了豐富的科研學(xué)術(shù)資本后于1979年回到母校,當(dāng)上了電磁場理論研究所(Theorie Elektromagnetischer Felder)的老大,3年后(博士畢業(yè)12年),開了三維電磁仿真軟件公司,起名CST (德語Computer-Simulationstechnik)。如今經(jīng)過了二十多年的發(fā)展, CST在電磁仿真領(lǐng)域占據(jù)了絕對的統(tǒng)治地位,并于2016年成功被法國達索系統(tǒng)(Dassault Systemes)公司以2.2億歐元收購,Thomas Weiland教授最終成為名副其實的人生贏家(此處有掌聲)。

(1) 算法介紹

CST軟件包含的仿真產(chǎn)品很多,這里僅已微波工作室(MWS)為例進行介紹。與時域有限差分(FDTD)不同,MWS核心算法FIT是對Maxwell積分方程進行離散處理,然而在直角坐標(biāo)下,FIT與FDTD算法卻是等效的[2],因此可以參照FDTD方法的理解來學(xué)習(xí)FIT算法。

具體來說,首先將計算區(qū)域分割成一些列的小立方塊,在每個立方塊的棱邊中心進行電場強度E(x,y,z,t)采樣、立方塊的面中心進行磁場強度H(x,y,z,t)采樣(空間離散)。如果區(qū)域離散足夠小,積分方程可近似表達成離散求和的形式,這樣方程就可以改寫為矩陣形式(注意變量時間偏微分暫時以點帽表示,變量上方加點)。

接下來進行時間采樣,與FDTD一樣,將時間偏微分進行差分:對電場強度E和磁感應(yīng)強度B進行等時間間隔采樣,但E和B采樣時間點交錯半個時間步。對于剩余變量電位移D和磁場強度H則采用本構(gòu)關(guān)系進行表示。

最后,將空間離散和時間采樣綜合在一起,實現(xiàn)的效果是:指定計算區(qū)域空間場的初始狀態(tài)、電磁激勵源以及邊界條件,算法可以交替算出電場磁場在各個時間步的值。

這里需要著重指出的是,無論是FIT還是FDTD,時空離散采樣是關(guān)鍵!試想一下,如果電場和磁場空間采樣位于同一位置、時間采樣位于同一時刻,那么離散后的方程組求解將變得異常困難(無解析表達形式,且未知量N多)。而采用時空交錯采樣的方式,俗稱蛙跳式(Leap frog algorithm),離散后的方程組經(jīng)過簡單整理,可直接迭代求解,且方便大規(guī)模并行計算。

此外,關(guān)于完整的FIT仿真,還涉及到數(shù)值穩(wěn)定、邊界條件、空間場/電路激勵以及近遠場變換等諸多內(nèi)容,需要深入學(xué)習(xí)的朋友可參考FDTD相關(guān)內(nèi)容(公眾號文章我的FDTD學(xué)習(xí)之路提供相關(guān)專題資料分享)。

(2) 仿真流程

總的來說,CST微波工作室仿真流程可分為六步:

1. 初始設(shè)置

主要是設(shè)置時間/長度單位、背景填充,例如,設(shè)置m為長度單位,GHz為頻率單位,背景為自由空間。

2. 建立模型

CST建模種類齊全、功能完善、操作簡單,除了能繪制簡單的立方體、球、圓柱、圓錐等模型以外,還可以根據(jù)用戶的需求進行大量的幾何變化,例如拉伸、鏤空、平移、組合等等,還支持參數(shù)化建模以及外界CAD模型導(dǎo)入。

3. 定義激勵

對于時域仿真,一般是通過一個寬帶高斯脈沖激勵,然后得到仿真對象的寬帶電磁散射特性,為此需要先設(shè)置頻率范圍,然后設(shè)置激勵樣式,主要包括空間場激勵(平面波、近場)和電路激勵(波導(dǎo)、離散端口)。

4. 設(shè)定邊界

由于計算機內(nèi)存和計算速度有限,必須對仿真區(qū)域進行截斷,一般有電場、磁場和吸波三種邊界條件。其中電場邊界為切向電場為零,磁場邊界為切向磁場為零,吸波邊界為電磁波傳輸無反射,一般通過理想匹配層(PML)實現(xiàn)。

5. 設(shè)置監(jiān)視

由于FIT仿真過程中會產(chǎn)生大量的中間變量,如果全部保存,一方面會耗費大量內(nèi)存,另一方面會降低計算速度,為此根據(jù)后處理需要,僅保留有用的計算結(jié)果。例如需要觀察某一橫截面的電場分布,那么計算過程中會把該橫截面每個時間步的電場值記錄下來,而不必保留全空間的每時刻電場值。

6. 剖分仿真

對于塊狀均勻物體來說,計算區(qū)域網(wǎng)格剖分密度達到最高頻率波長十分之一時,仿真精度即可得到要求;但如果仿真對象包含細微結(jié)構(gòu),例如單極子天線,那么剖分時必須對細微結(jié)構(gòu)處進行檢查,確保離散剖分模型準(zhǔn)確描述原有結(jié)構(gòu)的電磁特性,此時網(wǎng)格剖分密度可能低至1/40波長,甚至更低。

模型剖分完畢,便可進行時域仿真,由于FIT時域求解器是基于時空迭代策略進行的,為此需要人工定義仿真截止條件,采用默認設(shè)置時表示計算區(qū)域場能量耗散至可以忽略的水平時停止計算,用戶也可以自定義最大仿真時間進行限制。

以上是本人從數(shù)值計算角度總結(jié)的CST操作流程,與CST官方流程稍有差別。如果初學(xué)者對操作流程中選項位置不是很熟悉,那么福利來了,CST幫助文件中有一個快速向?qū)?/span>,選擇時域分析后,程序會將自動選擇對應(yīng)菜單,選擇對應(yīng)項,彈出對話框(十分友好的功能),直接設(shè)置即可。

(3) 實例演示

1. 單極子天線

天線仿真建模尺寸

CST微波工作室仿真快速入門教程CST電磁應(yīng)用技術(shù)圖片13

1D結(jié)果:饋電端口入射和反射的時域脈沖波形

CST微波工作室仿真快速入門教程CST電磁應(yīng)用技術(shù)圖片14

1D結(jié)果:輸入阻抗隨頻率的變化

CST微波工作室仿真快速入門教程CST電磁應(yīng)用技術(shù)圖片15

2D結(jié)果:二維電場分布

3D結(jié)果:遠場方向圖

2. 貼片天線

天線仿真建模尺寸

1D結(jié)果:饋電端口入射和反射的時域脈沖波形

1D結(jié)果:輸入阻抗隨頻率的變化

2D結(jié)果:二維電場分布

3D結(jié)果:遠場方向圖

(4) 討論

大多數(shù)用戶用軟件進行仿真的目的是與實測結(jié)果進行對比,且習(xí)慣性認為,實測結(jié)果一定是對的,如果仿真結(jié)果不吻合,那就是仿真的問題。個人覺得,無論實驗測試還是數(shù)值仿真,只有當(dāng)自己明確自己在干什么時,得到的結(jié)果才是可靠的。這就是為什么國外很多電磁計算的大牛幾乎一輩子都不用商業(yè)軟件,而是癡迷并堅信自己的代碼(不是否定商業(yè)軟件,只是陳述事實)。作為普通的我們,當(dāng)然沒必要這么較真兒,但是從算法和編程的層面加強對仿真軟件的后臺實現(xiàn),有百利而無一害!

關(guān)于電磁仿真計算,其核心要害在網(wǎng)格剖分,網(wǎng)格剖分的好,仿真效率和精度會有顯著的提升。

如果仿真對象具有對稱性,且激勵源也處于對稱位置,那么恭喜你,可以利用對稱邊界條件,仿真計算的數(shù)據(jù)量可成倍降低。

如果仿真對象包含多個部件,且最大尺寸和最小尺寸相差甚遠,如單極子天線地板和饋源,那么需要引起注意,網(wǎng)格剖分要保證關(guān)鍵部分的細節(jié)重現(xiàn)(簡單來說,就是用剖分后的網(wǎng)格重新建模,與原有幾何模型進行對比),否則稍微加密網(wǎng)格,仿真結(jié)果就會發(fā)生變化。