CST MICROWAVE STUDIO - система моделирования СВЧ трехмерных структур
CST MICROWAVE STUDIO (CST MWS) — изначальное название программы, ставшей основой пакета CST STUDIO SUITE. Программа предназначена 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.
В настоящий момент продукт полностью интегрирован в систему проектирования CST STUDIO SUITE и для автономного использования недоступен.
Описание вычислителей CST MICROWAVE STUDIO.
1. Вычислитель во временной области (Time domain solver) .
Вычислитель во временной области моделирует распространение ЭМ поля во времени и в пространстве. С его помощью рассчитывается передача энергии между портами или другими источниками возбуждения и/или свободным пространством. Временной солвер подходит для моделирования большинства ВЧ задач: коннекторов, полосковых линий, антенн т.д., позволяя получить результаты во всем частотном диапазоне за один вычислительный цикл средствами преобразования Фурье.
В CST MICROWAVE STUDIO доступно два временных вычислителя:
- Вычислитель переходных процессов Transient solver, основанный на технике конечного интегрирования Finite Integration Technique (FIT)
- TLM вычислитель Transmission Line Method (TLM), основанный на методе матриц линий передач.
Временной вычислитель (Transient Solver)
Временной вычислитель основан на технике конечного интегрирования Finite Integration Technique (FIT). Моделирование ЭМ поля выполняется с использованием пошаговой схемы с перешагиванием. Доказано, что такой метод моделирования остается устойчивым в том случае, когда используемый шаг не превышает определенного предела. Величина указанного максимального временного шага напрямую связана с минимальным шагом сетки, используемой для дискретизации пространства. Поэтому, чем плотнее сеточное разбиение, тем меньше используемый временной шаг.
Для повышения эффективности вычислителя используются передовые методы аппроксимации модели: технология Perfect Boundary Approximation (PBA), применимая в случае дискретизации любых криволинейных поверхностей, а также Thin Sheet Technique (TST), используемая для моделирования тонких слоев, напылений. Указанные техники позволяют избежать высокой детализации сеточного разбиения и, следовательно, сокращению времени моделирования. Результатом становится эффективное использование памяти, а также устойчивое гексагональное сеточное разбиения крайне сложных геометрий.
Работа временного вычислителя:
1. Модель возбуждается широкополосным сигналом во временной области (гауссовкий импульс).
2. Рассчитывается отклик структуры во временной области (выходной сигнал во временной области).
3. Для получения результатов в исследуемом частотном диапазоне автоматически выполняется дискретное преобразование Фурье для временных сигналов.
TLM вычислитель
Вычислитель с использованием матрицы линий передач (Transmission Line Matrix TLM) выполняет анализ во временной области, основанный на гексагональном сеточном разбиении. Доступные вычислителем специальные компактные модели щелей, зазоров, стыков, отверстий и т.д., а также технология сеточного построения на базе октодерева делают его незаменимым в случае решения задач электромагнитной совместимости, излучения и устойчивости. Также следует отметить, что TLM солвер поддерживает множество возможностей временного Transient вычислителя, и поэтому разделяет с ним ряд общих классов задач.
Временными вычислителями покрывается широкий класс задач:
— Получение параметров матрицы рассеяния
— Получение распределений электромагнитного поля для различных частот
— Получение диаграмм направленностей и параметров антенн
— Анализ сигналов: время нарастания, перекрестные помехи и т.д., включая получение SPICE цепей
— Расчет рефлектометрии во временной области
— Получение ЭПР
— Поддержка дисперсных материалов
2. Frequency Domain solver – вычислитель в частотной области
Вычислитель выполняет расчет трехмерной электродинамической задачи методом конечных элементов (FEM). Моделирование осуществляется на определенных частотных точках, а для получения полного спектра используется свипирование по частоте. Дискретизация расчетной области может выполняться как гексагональными, так и тетрагональными элементами объемного разбиения. В общем и целом вычислитель в частотной области универсален, т.е. применим для решения широкого класса задач. При этом необходимо отметить, что анализ электрически малых / высокорезонансных / узкополосных задач будет выполняться частотным вычислителем с максимальной эффективностью.
Результаты моделирования вычислителя в частотной области
— Получение параметров матрицы рассеяния
— Получение распределений поля в ближней зоне на установленных частотах
— Расчет диаграмм направленности антенн и ЭПР
— Поддержка мод Флоке средствами граничных условий Unit Cell с регулировкой фазового сдвига
3. Eigenmode solver – вычислитель собственных мод
Данный модуль используется для поиска собственных видов колебаний (мод) замкнутых структур, у которых отсутствуют источники электромагнитного поля. Моделирование осуществляется методом конечных элементов (FEM) с дискретизацией гексагональными или тетрагональными элементами разбиения. Вычислитель выполняет расчет первых N мод с соответствующими распределениями электромагнитного поля. Модуль используется для получения электродинамических характеристик высокочастотных узлов ускорительной техники (резонаторы, ЛБВ, магнетроны и т.д.), а также для анализа собственных параметров ячеек фильтров.
4. Integral Equation Solver – интегральный вычислитель
Интегральный вычислительный модуль выполняет решение трехмерной электромагнитной задачи в частотной области методом моментов (MoM). Дискретизация модели осуществляется средствами поверхностного сеточного разбиения, по причине чего данный модуль рекомендован для анализа электрически крупных задач, моделирование которых методами с объемной дискретизацией расчетной области будет менее эффективно. Интегральный вычислитель применяется для расчета параметров антенн на носителе, вычислению развязки межу источниками и получению ЭПР. Модулем также поддерживается анализ характеристических мод антенн.
5. Multilayer Solver – вычислитель многослойных структур
Вычислитель многослойных структур предназначен для проведения планарного 3D моделирования методом моментов. Модуль выполняет автоматическое генерирование стека слоев и построение поверхностного сеточного разбиения. Вычислитель используется для расчета планарных антенн, фильтров, микрополосковых устройств, а также для анализа характеристических мод антенн.
6. Asymptotic Solver – асимптотический вычислитель
Асимптотический вычислитель предназначен для получения ЭПР электрически крупных объектов с применением методов геометрической теории дифракции и физической оптики (англ., shooting and bouncing rays, SBR). При таком решении распространение электромагнитной волны осуществляется на уровне лучей, что значительно упрощает моделирование задач размером много большим длины волны. Вычислитель применим для случаев, в которых другие методы численного моделирования не способны обработать рассчитываемый объект.
Области применения:
- Расчет однопозиционной и двухпозиционной ЭПР электрически крупных объектов;
- Моделирование параметров антенн, расположенных на электрически крупных объектах;
- Визуализация областей затенения и точек максимального рассеяния.
7. Filter Designer (2D) – инструмент синтеза планарных фильтров
Продукт предназначен для быстрого синтеза планарных фильтров с использованием аналитических моделей описания. Формирование топологии реализуется согласно установленным проектным требованиям в виде рабочей полосы, порядка фильтра, расположения нулей передачи и технологии изготовления. Продуктом поддерживается реализация фильтров Бесселя, Баттерворта, Чебышева (1, 2 порядка) и эллиптического. После завершения описания Filter Designer (2D) рассчитывает параметры топологии и частотную характеристику. Модуль полностью интегрирован в оболочку CST STUDIO SUITE, что позволяет экспортировать модель далее для анализа методами трехмерного электродинамического моделирования и получения результатов в корпусе, с учетом взаимной связи и др. эффектов.
8. Filter Designer (3D) – инструмент синтеза характеристик резонаторных фильтров
Модуль Filter Designer (3D) предназначен для синтеза характеристик резонаторных фильтров. Изначально пользователем устанавливаются проектные требования в виде порядка фильтра, рабочей характеристики, а также положения нулей передачи. Согласно указанной спецификации генерируется список возможных топологий размещения резонаторов. После выбора подходящей конфигурации продукт автоматически вычисляет матрицу коэффициентов связи фильтра. В дальнейшем данная матрица может использоваться в качестве целевой функции при оптимизации модели фильтра, а также для настройки характеристик изготовленного устройства.
