CST MICROWAVE STUDIO - Система моделирования СВЧ трехмерных структур

CST MICROWAVE STUDIO (CST MWS) представляет собой программу, предназначенную для быстрого и точного численного моделирования высокочастотных устройств (антенн, фильтров, ответвителей мощности, планарных и многослойных структур), а также анализа проблем целостности сигналов и электромагнитной совместимости во временной и частотных областях с использованием прямоугольной или тетраэдральной сеток разбиения.

Главным преимуществом вычислительных технологий компании CST является использование аппроксимации для идеальных граничных условий (Perfect Boundary Approximation, PBA). При моделировании 3D структур, содержащих поверхности сложной кривизны, использование классической прямоугольной сетки разбиения приводит к необходимости использовать слишком мелкую сетку и неоправданно большое число ячеек. Использование тетраэдральной сетки частично решает проблему и позволяет снизить требования к вычислительным ресурсам. Технология PBA использует преимущества обоих перечисленных подходов, но обеспечивает беспрецедентный прирост производительности без потери точности вычислений.

Типичными устройствами, моделируемыми с помощью пакета CST Microwave Studio, являются:

— волноводные и микрополосковые направленные ответвители мощности;
— делители и сумматоры мощности;
— волноводные, микрополосковые и диэлектрические фильтры;
— одно- и многослойные микрополосковые структуры;
— различные линии передачи;
— коаксиальные и многовыводные соединители;
— коаксиально-волноводные и коаксиально-полосковые переходы;
— оптические волноводы и коммутаторы;
— различные типы антенн — рупорные, спиральные, планарные.

Программа имеет простой и удобный интуитивный пользовательский интерфейс, плодотворно работать с которым даже новичок сможет уже через два часа после первого знакомства с программой. Искушенные же пользователи смогут автоматизировать подготовку и выполнение большинства общих задач с помощью встроенного макроязыка VBA.

Система моделирования является законченным программным продуктом, то есть для она имеет в своем составе все необходимые модули, начиная с графического редактора для прорисовки трехмерной структуры и заканчивая модулем построения рассчитанных частотных зависимостей. Система построения исследуемых структур базируется на ядре ACIS, используемом большинством известных CAD систем, например, всем известной программой AutoCAD. С помощью этой технологии прорисовка объемных СВЧ устройств даже самых сложных конфигураций производится легко и быстро.

 

Имеется возможность логической сборки компонентов структуры, причем отдельные части таких компонентов могут быть построены из различных материалов. Изменение параметров материалов может выполняться как вручную по отдельности, так и глобальной заменой базы данных материалов. Реализовано выделение нескольких объектов непосредственно в поле рисования трехмерной структуры, а также на дереве проекта на панели навигации, после чего возможно одновременное изменение их параметров или геометрических размеров.

В составе одной лицензии поставляется два сетевых рабочих места, одно из которых позволяет производить моделирование ранее подготовленного проекта, а другое в то же самое время используется для подготовки новых проектов.

Особое внимание разработчики программы CST MWS уделили ее интеграции в существующий поток проектирования и обеспечили связи с другими EDA и CAD пакетами. В новой версии переработаны модули импорта и экспорта популярных 3D форматов STEP, SAT, IGES и STL, а также двухмерного формата DXF. Новые трансляторы обеспечат обмен данными с программами CATIA4 и CoventorWare, а также импорт защищенных файлов Pro/Engineer 2002. Реализован импорт двухмерных форматов GDSII, Gerber и Sonnet EM, а также объемного описания человеческого тела. Еще несколько CAD трансляторов будут доступны в самое ближайшее время.

Связь с системой ADS компании Agilent была первым шагом на пути интеграции программы CST MWS в другие среды проектирования. Позднее появилась возможность обмена данными с системами Allegro и APD компании Cadence. Экспорт данных в файл в формате MWS выполняется непосредственно из интерфейса среды Cadence. При этом сохраняется параметризация и сборка конструкции.

Обмен результатами расчета с другими программами осуществляется несколькими способами. Программа обеспечивает прямой доступ к первичным результатам — обобщенным S-параметрам, но также позволяет делать экспорт их в формате Touchstone, но при этом высокая разрешающая способность по частоте может быть ухудшена за счет плохой связи портами или субдискретизации.

Использование широкополосных SPICE моделей, описывающих передачу между портами с учетом потерь и перекрестных связей и полученных непосредственно из результатов полного электромагнитного анализа, позволит избежать этого эффекта. В программе применен новый алгоритм экстракции SPICE схемы замещения, основанный на методе понижения порядка модели (Model Order Reduction, MOR). Модель может быть получена для произвольной топологии или структуры, причем ее стабильность и пассивный характер гарантирован вне исходного частотного диапазона анализа.

Программа CST MWS использует метод конечных интегралов (FIT) — достаточно общий подход, который сначала описывает уравнения Максвелла на пространственной сетке, с учетом закона сохранения энергии, а затем по ним формирует систему специфических дифференциальных уравнений, таких как волновое уравнение или уравнение Пуассона. Метод может быть реализован как во временной, так и в частотной области. Кроме того, не накладывается никаких ограничений на тип используемой сетки разбиения, наряду со структурированной сеткой в декартовой системе координат поддерживаются неортогональные сетки, например, тетраэдральная. Таким образом программа CST MWS первый на настоящий момент пакет объемного электромагнитного моделирования позволяющий выбирать оптимальные для данной задачи метод решения и способ разбиения.

Метод конечных интегралов во временной области наиболее эффективно работает при использовании прямоугольной сетки разбиении. Для улучшения моделирования объемных структур произвольной геометрической формы был разработан оригинальный метод аппроксимации для идеальных граничных условий (Perfect Boundary Approximation, PBA). Этот метод позволяет разбить кубическую ячейку сетки на две части таким образом, чтобы граница разбиения проходила по границе раздела двух сред и оптимально повторяла реальную геометрическую элементов моделируемой структуры. Такой подход дал возможность учитывать толщину металлических перегородок или толщину слоя металлизации микрополосковых линий внутри одной большой ячейки разбиения без им необходимости измельчения разбиения.

 

На рисунке показаны различные способы построения сетки разбиения и ее аппроксимации для неполой (a) и полой (b) сферы с цилиндрическим отверстием. Но если неполая сфера хорошо описывается с помощью метода аппроксимации для идеальных граничных условий, то для анализа полой сферы с относительно тонкой стенкой была разработана другая оригинальная технология: метод тонких стенок (Thin Sheet Technique, TST).

Метод тонких стенок (TST) представляет собой расширение метода идеальных граничных условий, позволяющее оптимально представить две диэлектрические части кубической ячейки, разделенными тонкой металлической стенкой. Таким образом, стало возможным моделирование с минимумом усилий металлических корпусов произвольной формы и наклонных экранов.

  

Начиная с версии 5, в программу введена еще одна технология разбиения: метод подсеток (Multilevel Subgridding Scheme, MSS). Он позволяет линиям разбиения начинаться и заканчиваться в любой точке анализируемого объема и, тем самым, вблизи элементов произвольной формы получить особые конформные слои с измельченной сеткой разбиения. Легко видеть, что здесь имеются три конформных слоя с ячейками разного размера, причем ячейки, расположенные внутри неполых металлических частей из анализа исключаются.

Методы PBA и TST также работают и для ячеек подсеток, что дает дополнительный прирост точности без резкого увеличения времени анализа. Также имеется возможность исключения из анализа не интересующих областей. На рисунке ниже показаны результаты моделирования шестнадцатиканального волноводного делителя мощности, где анализировались только внутренние, заполненные вакуумом элементы волноводов.

 

Другой важной функцией программы является наличие экспертной системы, которая сначала позволяет выявить металлические кромки и соответствующим образом учесть особенности поля, и затем гарантирует правильное решение независимо от окружающего материала. Также она допускает параметризацию параметров сетки разбиения в соответствии с прилегающими анализируемыми объектами, что позволяет согласно автоматически подстраивать сетку при параметрическом анализе и оптимизации. Комбинация экспертной системы с методами PBA, TST и MSS представляют основу технологии построения сетки разбиения, получившую обобщенное название SmartGrid, которая значительно повышает производительность программы CST MWS.

Вычислительное ядро во временной области(Time Domain Solver) позволяет рассчитать характеристики электромагнитных устройств в широком диапазоне частот со сколь угодно высокой разрешающей способностью по частоте, в результате чего снижается вероятность потери острых резонансных пиков. При наличии у устройства нескольких портов, каждый из них может возбуждаться собственным сигналом. Описания сигналов и материалов могут быть сохранены в специальной базе данных, что значительно упрощает описание проекта. В программу добавлена возможность введения в проект так называемых внутренних портов, необходимых для возбуждения антенн типа «волновой канал». Помимо дополнительной степени свободы при моделировании внутренние порты дают возможность увеличить точность расчета поля в дальней зоне.  Для анализа материалов с ярко выраженными дисперсионными свойствами использует модели Дейби (Debey), Друда (Drude) и Лоренца (Lorentz). Также возможно моделирование гиротропических материалов, например ферритовых узлов циркуляторов.

Вычислительное ядро в частотной области (Frequency Domain Solver) имеет адаптивный алгоритм частотного свипирования, позволяющий получить точные характеристики при автоматически выбираемом минимальном числе частотных точек. Для широкополосных расчетов, использующих периодические граничные условия, вместо фазового сдвига для описания направления излучения может быть быть использован геометрический угол сканирования. Особое внимание уделено вычислителю мод в портах устройства, который стал поддерживать материалы с потерями. Программа CST MWS включает периодический (Floquet) вычислитель мод в граничных портах, обеспечивающий высокую точность для широкого диапазона углов излучения, что необходимо для расчета фазированных антенных решеток. Возможность задания фронта волны через набор периодических граничных портов, позволяет легко рассчитать освещение частотно-избирательной поверхности (FSS) по любым углом.

В дополнение к ранее реализованному методу подпространства, в новой версии программы CST MWS реализован алгоритм Якоби-Девидсона (Jacobi-Davidson, JD). Этот вычислитель позволяет рассчитать собственные моды областей, заполненных материалом с большим тангенсом угла диэлектрических потерь. Вычислительное ядро на собственных модах (Eigenmode Solver) поддерживает периодические граничные условия для расчета замедляющих структур, а также анализ методом нормальных волн, который позволяет получать производные S-параметров высокорезонансных структур, например, фильтров. Этот метод поддерживает алгоритм частотного свипирования, оценивающий суммарный вклад высших типов волн в интересующей полосе частот. Пример использования вычислителя на собственных модах для моделирования поверхностных токов в одном витке спиральной замедляющей структуры приведен на рисунке ниже.

 

Еще одной ключевой функцией программы CST MWS является механизм распределенных вычислений на нескольких компьютерах в рамках локальной сети. Здесь имеются две разных методики. Первая предназначена для моделирования многопортовых устройств, для получения матрицы S-параметров которой необходимо выполнить число запусков анализа, равное числу портов, что легко сделать параллельно на нескольких машинах. Вторая методика предназначена для параметрического анализа и оптимизации, так как в этом случае выполняются многократные запуски моделирования одной и той же структуры с небольшими геометрическими изменениями, которые также могут выполняться параллельно на разных машинах. Результаты анализа накапливаются в центральном компьютере, который на следующим шаге автоматически формирует задачи для простаивающих машин. Оба способа организации распределенных вычислений позволяют повысить скорость анализа пропорционально используемых для этого компьютеров.

Поддерживаемые операционные системы: Windows XP Professional, Windows Vista, Windows 7.

  Брошюра с описанием программы

  Презентации с последнего семинара CST

  Дополнительные материалы по программе CST STUDIO SUITE