CST微波工作室学习笔记（3）

六、边界条件和背景材料

为什么要设置边界条件：

• 使用计算机来进行电磁计算或电磁仿真分析，都是只能处理有限空间内的电磁问题

• 在CST微波工作室中，通过设置适当的边界条件，实现把电磁问题设定于有限空间内

背景概念：

• 用户创建的结构模型区域以外的空间

背景材料

• 指用户所创建模型的外侧的填充材质

背景材料设置

• Modeling > Materials > Background

• 常用材质：PEC（理想导体）、Nomal（空气或真空）、Anisotropic（各向异性）、Lossy Metal（有耗导体）

边界条件设置

• Simulation > Setting > Boundaries

边界条件类型

1. Electric（电边界）

• 等效于理想导体（PEC），电场垂直于边界表面

• 当背景材料设置为理想导体时，自动设置为电边界

  

2. Magnetic（磁边界）

• 边界条件上的电场方向与表面相切，磁场垂直于边界表面
  -实际上不存在理想磁边界，只是理论上的约束条件

  

3. Open(PML)（开放边界）

• 相当于理想匹配层(PML)，电磁波几乎无反射通过该边界

• 可用于等效自由空间情况

4. Open(add space)

• 与 Open 边界条件相同，边界表面设置与模型有一定的距离，主要是用于远区场的计算

• 用于天线、RCS等辐射/散射问题的仿真分析

5. Periodic（周期性边界条件）

• 用于阵列天线、FSS等周期性结构的仿真分析

• 成对出现、需要设置相位差

6. Counducting wall（有耗导体边界条件）

• 良导体/非理想导体边界条件，等效于有耗导体，电场垂直边界表面

• 当背景材料设置为有耗导体(lossy metal)，自动设置为有耗导体边界

  

7. Unit Cell（用于周期性问题求解的边界条件）

• 类似周期边界条件、用于周期性结构的仿真分析

• 只能用于通用频域求解器

8. Symmetry Planes（设置对称面的边界条件）

• 应用对称边界构造结构时仅构造一部分，减小结构尺寸和设计复杂性、缩短计算时间

• 有电壁对称面、磁壁对称面两种类型

• 电场垂直对称面且对称，选择电壁对称面

• 磁场垂直对称面且对称，选择磁壁对称面

  

• 七、端口和激励详解

• 激 励

• 指在进行仿真分析时需要提供的激励信号源

• 在CST微波工作室中，提供了多种不同类型的激励源，用于分析不同类型问题

• 在运行仿真分析之前，至少要设置一个激励源作为结构的输入信号激励

• 激励类型

• - 端口激励(Port)：可以分析给出的S参数、也可分析给出场分布
  —— 离散端口（Discrete Ports）
  —— 波导端口（Waveguide Ports）

• - 场源激励(Field Source)：只能分析给出场分布
  —— 平面波激励（Plane Waves）
  —— 远区场激励（Farfield Sources）
  —— 近区场激励（Nearfield Sources）

  

• 负 载——集总元件(Lumped Element)

• 

• 1.波导端口——Waveguide Ports

• 什么是波导端口

• 模拟一段连接在结构模型上的无限长的波导，因为波导端口模式匹配良好，几乎能全部吸收结构模型内传输过来的电磁波，从而达到很高的仿真精度

• 波导端口默认的输入激励信号功率是1W

• 设置操作和端口对话框

• General：设置端口的名称等

• Position：设置端口的位置坐标

• Reference plane：设置端口位于模型外部或内部位置

  

• 应用范围

• 波导结构模型

• 同轴线结构模型

• 微带线/带状线/共面波导等传输线结构模型

• 2.离散端口——Discrete Ports

• 什么是离散端口

• 离散端口是由具有内阻的电流源组成，设置于结构模型内部

• 定义更简单，只需要定义域结构相连的两个管脚即可

• 端口的电长度最好小于1/10个波长，否则仿真结果相差大

• 离散端口设置

• 离散棱边端口（选中两个端口表面进行设置）

• 离散表面端口（选中两个棱边进行设置）
  Properties：设置激励源类型、端口名称、内阻等
  Location：设置端口的坐标

  

• 3.平面波激励——Plane Waves

• 模拟从无限远处发射过来的电磁波激励，主要用于RCS一类的散射问题的分析

• 只分析远区场，不计算S参数

• 需要设置开放边界条件（Open）

  

• 4.远区场激励——Farfield Sources

• 把在其他微波工作室分析出的远区场导入到另一个微波工作室中用作激励源

• 5.近区场激励——Nearfield Sources

• 把在其他微波工作室分析出的近区场导入到另一个微波工作室中用作激励源

• 波导端口平面设置

• 波导结构

  

  同轴线结构

  

  微带线

• 端口需要足够大以覆盖准TEM模的重要部分

• 

• 另一方面，端口又不能太大，会激发高次模

  

• 如果激发高次模，造成时域求解器能力衰减十分缓慢，频谱结果会看到非常多的毛刺

• 分析完成后，查看端口处的场分布，确认端口大小是后合适

  

• 共面线/共面波导

• 不接地共面线和接地共面线

  

• 模式数

  

• 负载——Lumped Element

• Type：电阻、电感、电容串联；电阻、电感、电容并联；二极管等；

• R：电阻大小

• L：电感大小

• C：电容大小

• Location：定义各器件所在坐标

  

• 八、求解器详解

• - 求解器的分类

• Time Domain Solver——时域求解器

• Frequency Domain Solver——频域求解器

• Eigenmode Solver——本征模求解器

• Integral Equation Solver——积分方程求解器

• Asymptomatic Solver——高频渐进求解器

• Multilayer Solver——多层平面矩量法求解器

• 

• - 电尺寸的定义

• 是物体的几何尺寸除以波长，单位为波长；电尺寸小于5个波长称为电小；大于5小于50称为电中；大于50小于500称为电大；大于500称为超电大

• - 计算电磁学的电磁数值算法

• 全波算法（精确算法）：分为时域全波和频域全波算法，直接求解麦克斯韦积分或微分方程。场区和源区均需要划分网格。有其能够仿真的最大电尺寸的限制

• 高频算法：基于格林函数，仅有频域，仅源区需要划分网格。有其能够仿真的最小电尺寸的限制

• - 常用的电磁仿真算法

• 全波算法：有限差分法（FDM）、有限积分法（FIT）、传输线矩阵法（TLM）、有限元法（FEM）、矩量法（MoM）、边界元法（BEM）

• 高频渐进算法：物理光学法（PO）、弹跳射线法（SBR）

• - 算法比较

• FDM、FIT、TLM使用六面体体分割网格；FEM使用四面体体分割网格；MoM、BEM使用三角面元面分割网格

• 基于FDM、FIT、TLM的是时域算法；基于FEM、MoM、BEM的是频域算法

• 网格数N，CPU和内存满足以下关系：FDM、FIT、TLM正比于N，FEM正比于N²；MoM和BEM正比于N³

• 电小问题优选MoM和BEM，电中选FEM；电大选FDM、FIT、TLM；超电大选高频算法

• - 求解器介绍

• 1.时域求解器——Time Domain Solver（核心）

• 分为瞬态时域求解器（Transient solver）和TLM时域求解器

• 瞬态时域求解器（CST微波工作室的核心求解器）采用有限积分法，应用各类微波器件和天线问题

• TLM时域求解器采用传输线矩阵法，应用于电磁兼容和天线布局问题

• 2.频域求解器——Frequency Domain Solver（核心）

• 分为频域有限积分法和频域有限元法，两者推荐使用频域有限元法

• 频域有限元求解器应用于各类微波器件和天线问题

• 3.本征模求解器——Eigenmode Solver（核心）

• 用于计算封闭器件内的谐振场分布

• 应用于强谐振结构、腔体、窄带等问题

• 4.积分方程求解器——Integral Equation Solver

• 采用多层快速多极子法，主要用于求解点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

• 5.高频渐进求解器 ——Asymptomatic Solver

• 采用的算法是弹跳射线法SBR，属于物理光学算法中的一种

• 主要用于仿真电尺寸超出积分求解器的反正范围的模型，可以极其高效地仿真电尺寸高达成千上万个波长的器件

• 6.多层平面矩量法求解器——Multilayer Solver

• 专用于多层平面结构的矩量法求解器

• 适用于平面做微带天线、平面结构滤波器、微波毫米波集成电路（MMIC）、低温共烧陶瓷电路（LTCC）以及平面馈电网络的仿真设计

• - 求解器的相关设置

• 1.时域求解器

• 参考T型波导的实例，点击 Setup Solver

  

• 功能分析
  Mesh Type：Hexahedral（有限积分法的瞬态时域求解器）、Hexahedral TLM（采用传输矩阵法的TLM时域求解器）
  Accuracy：设置求解精度；-30dB表示结束时的能量和激励信号能量之比为-30dB；影响仿真分析的时间和求解精度
  Source Type和Mode：设置要分析的端口和模式
  S-parameter setting：设置S参数的归一化阻抗和互易性
  Adaptive mesh refinement：设置自适应网格隔分，提高分析结果的准确度
  Sensitivity analysis：敏感度分析
  Star：运行仿真分析
  Optimizer：打开优化设计对话框设置
  Par.Sweep：打开参数扫描分析对话框设置
  Acceleration：GPU加速、及分布式的设置
  Specials：仿真器的一些特殊设置
  Simplify Model：模型的以下简化设置
  Apply：保存/应用当前设置
  Close：关闭对话框
  Help：打开帮助文档

  

• 2.频域求解器

• 1.功能分析

• Broadband sweep：1.包含General Purpose——通用求解器：与时域求解器相对应，最常用的频域求解器；支持六面体网格（有限积分法频域算法）和四面体网格（有限元法频域算法）；2.Resonant：Fast S-Parameter：专门针对滤波器之类的强谐振结构的分析，只计算S参数不给出任何场；3.Resonant：S-Parameter，Field：专门针对滤波器之类的强谐振结构的分析，不仅计算S参数，同时计算场
  Mesh type：1.Tetrahedral（有限元法的频域求解器）；2.Hexahedral（有限积分法的频域求解器）
  Source Type和Mode：设置要分析的端口和模式
  S-parameter setting：设置归一化阻抗
  Frequency Samples：频域分析时，设置需要分析的频点数以得到整个频带内的性能
  Monitor：设置要计算场分布的频点
  Single、Automatic、Equidistant、Logarithmic：设置频点分布类型
  Use Broadband frequency sweep：一种特殊的扫频技术，以较少的频点数得出整个频带内的扫频性能

  

• 3.本征模求解器

• 1.功能分析

• Mesh Type：Tetrahedral Mesh（有限元算法），Hexahedral Mesh（邮箱积分算法）
  Method：JDM—有耗问题，模式数较少的无耗问题；AKS—模式数较多的无耗问题
  Modes：计算前N个模式；对于AKS求解器，一般要比实际的要多几个模式数
  Q-factor calculation：计算Q值和损耗材料的处理

  

• -总 结

• - 瞬态时域求解器应用最广泛，多数情况下都可以选择该求解器，尤其对于带宽问题，仿真分析较快
  - 通用频域求解器与瞬态时域求解器相当，对于窄带强谐振问题，该求解器分析速度比时域求解器快
  - 封闭结构的谐振问题分析，通常需要使用本征模求解器

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• 九、数据后处理

• 1.仿真分析结果

• 直角坐标系下的 S 参数结果

• 史密斯圆图中显示的 S 参数结果

• 端口模式和相关参数（传播参数、阻抗等）

• 各种场分布（电场、磁场、功率流和表面电流）

• 动态显示场分布

• 辐射、散射问题的运区场分布（天线方向图、增益、方向性系数、RCS）

• 2.数据后处理

• 通过模板导出仿真分析结果，用于优化目标的定义

• 导出Touchstone 格式的 S 参数分析结果

• 导出ASCII 格式的场分析结果

• 导出近区场、远区场分析结果用作其他设计的场源激励

• 3.场监视器

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• 4.查看分析结果

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  Excitation Signal： 查看激励信号，时域求解器有效

• Field Monitor： 定义场监视器

• 1D Results： Port Signals——查看端口时域信号，S-Parameters——S参数，Reference Impedance——端口阻抗

• 2D/3D Results： Port Modes——端口模式和场分布，E-Fields——与定义的场监视器相关，查看预定义的场分布

• Farfields： 查看远区场分析结果，如天线方向图，RCS等

• 5. 1D Results 显示

• - 多种显示格式

• 直角坐标系、史密斯圆图、极坐标

• 实部、虚部、相位、幅度

• 线性、对数、设置标记点

  

• 6. 2D/3D Results 显示

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• 7. Farfield显示

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• 8. 数据后处理模板

• 对结果数据进一步的处理，并且在导航树下显示给出处理后的结果

• 优化设计时，通过该方式可以方便的定义目标函数

  
  
  
  
  
  

• 9. 分析结果的导入和导出

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