Современные решения для производства электроники

CST STUDIO SUITE 2018 - моделирование трехмерных электромагнитных структур

Пакет CST STUDIO SUITE представляет собой набор инструментов для проектирования, моделирования и оптимизации трехмерных электромагнитных систем, использующийся самыми передовыми технологическими и инжиниринговыми компаниями во всем мире.

 

Полный набор решений для 3D EM моделирования

Высокий уровень технологий моделирования CST был достигнут путем постоянного совершенствования вычислительных модулей, обобщающих в себе опыт многолетних исследований в области точных и эффективных вычислительных методов. Высокая достоверность результатов работы пакета программ CST STUDIO SUITE позволяет пользователям создавать виртуальные прототипы, моделирующие поведение реальных устройств, сохраняя тем самым время и средства на этапе разработки. Ранее вычислительные модули были сгруппированы в программы, которые имели оригинальные названия: CST MICROWAVE STUDIO (CST MWS), CST EM STUDIO (CST EMS), CST PARTICLE STUDIO (CST PS), CST CABLE STUDIO (CST CS), CST PCB STUDIO (CST PCBS), CST BOARDCHECK (CST BC), CST MPHYSICS STUDIO (CST MPS), CST DESIGN STUDIO.

Современная версия пакета CST STUDIO SUITE включает следующие модули:

■ вычислители общего назначения во временной и в частотной областях для моделирования низкочастотных и высокочастотных задач;

■ полноволновый вычислитель с использованием интегральных уравнений;

■ модуль для получения собственных мод и асимптотический вычислитель;

■ самосогласованный Particle-In-Cell (PIC) алгоритм;

■ статический и мультифизический вычислитель;

■ множество дополнительных специализированных вычислительных модулей.

Комбинация перечисленных модулей обеспечивают точный и многогранный подход для решения широкого круга задач.

В ряде случаев решение одной задачи может быть реализовано с использованием разных вычислительных методов. Универсальный подход CST позволяет выполнять верификацию полученных данных путем сравнения результатов моделирования, полученных с использованием различных вычислителей в единой рабочей среде. Подобная перекрестная проверка повышает достоверность полученных результатов и  помогает инженерам выявить ошибки в описании проекта или в процессе измерений.

Моделирование магнетрона требует учета эффектов, связанных с высокочастотными и статическими электромагнитными полями, а также эффектов динамики заряженных частиц. Все это может быть промоделировано в рамках одного проекта в единой среде проектирования.

 

CST STUDIO SUITE включает вычислители для решения задач, перекрывающих весь спектр электромагнитных излучений.

 

Мощная среда построения проектов

Для качественного моделирования требуется проект с правильно описанной структурой. Это означает, что модель должна описывать реальные объекты и учитывать широкий набор воздействующих на них электромагнитных эффектов. Пакет CST STUDIO SUITE включает мощные средства построения и импорта моделей из CAD систем, помогающие пользователю построить правильных проект анализируемого устройства.

Имеется ряд дисциплин, например, магнетизм или фотоника, где характеристики электромагнитных эффектов являются только результатом взаимодействия с используемыми в устройстве нелинейными материалами. Пакет CST STUDIO SUITE предлагает широкий набор типов материалов, позволяющий моделировать самые разнообразные физические явления, например, плазмонный и фотонный эффект, ферромагнетизм, вторичную электронную эмиссию, прогрев биологических тканей.

Смешанный анализ электрических схем и EM структур во временной области позволяет рассчитывать электромагнитные поля, возникающие в результате взаимодействия с нелинейными элементами схемы, например, диодами или транзисторами. Широкополосная природа анализа во временной области дает возможность учесть при анализе широкий набор гармонических составляющих сигнала.

Измеренные данные, например, характеристики поля в ближней зоне или S-параметры полупроводниковых устройств тоже могут быть импортированы в пакет CST STUDIO SUITE. Это позволяет интегрировать эти данные в проект и улучшить описание физической системы.

Наличие реалистичных моделей материалов и дискретных элементов дает возможность качественно промоделировать СВЧ фильтр на SMD элементах.

 

Типы материалов, используемых в CST STUDIO SUITE:

■ Диэлектрики

■ Металлы с потерями

■ Анизотропические материалы

■ Материалы с временной зависимостью

■ Материалы с температурной зависимостью

■ Материалы с градиентными свойствами

■ Дисперсионные материалы:

- Модель Друда (Drude)

- Модель Дебби (Debye)

- Модель Лоренца (Lorentz)

- Электро- и магнито- гироскопические материалы

■ Нелинейные материалы

— Нелинейные модели второго и третьего порядка

- Модель Керра (Kerr)

- Модель Рамана (Raman)

- Нелинейные магнитные материалы

■ Материалы с покрытием

■ Радиопоглощающие материалы

■ Материалы из тонких плоских слоев

■ Материалы с поверхностным импедансом

■ Поверхности с вторичной эмиссией электронов

- Модель Фурмана (Furman)

- Модель Вогана (Vaughan)

■ Материалы с нелинейными температурными свойствами и биоматериалы

■ Ферромагнетики

■ Графен

 

Мультифизический анализ

Электромагнетизм тесно связан с другими физическими дисциплинами, например, механикой и термодинамикой. Во многих случаях электрические и магнитные эффекты неотделимы от тепловых или механических эффектов, например, воздействие сигнала большой мощности на фильтр вызывает его нагрев, а связанные с этим механические деформации конструкции вызывают изменение частотных характеристик фильтра.

Для анализа таких сложных взаимодействий в пакете CST STUDIO SUITE имеются вычислители стационарных и переходных тепловых процессов, вычислитель переноса тепла (CHT), а также механический вычислитель. Все эти мультифизические модули тесно интегрированы с EM и PCB вычислителями, и моделирование с их помощью может быть автоматически инициировано с использованием технологии SAM. Благодаря технологии SAM, рассчитанное распределение температуры и деформации могут быть переданы обратно в EM вычислитель для выполнения анализа чувствительности или анализа сходимости для расчета стационарного режима работы устройства с учетом влияния тепловой обратной связи.

Для поддержки мультифизического анализа пакет CST STUDIO SUITE включает набор материалов с нелинейными и температурно-зависимыми свойствами. Для таких биологических приложений, как магнитно-резонансная томография и высокочастотная диатермия, уникальные свойства тканей человеческого тела, например, охлаждение потоком крови, которое изменяется в зависимости от температуры тела, могут оказывать существенный эффект на температуры определенной точки внутри тела. Тепловые вычислители включают в себя био-тепловые уравнения, дающие возможность реалистично моделировать устройства внутри человеческого тела.  

Дополнительные возможности мультифизического моделирования могут быть реализованы посредством взаимодействия с пакетом SIMULIA.

Пример моделирования электрического поля внутри микроволновой печи (экран на дверце и наружный корпус не показаны) и связанного с ним прогрева объекта.

Пример моделирования охлаждающего воздушного потока вокруг печатной платы и итогового распределения температур в стационарном режиме.

 

Точная дискретизация структуры

Для применения к структуре численного моделирования требуется выполнить пространственную дискретизацию исследуемой модели. Добавление дополни-тельных ячеек увеличивает требования к вычислительным ресурсам. Это означает, что наиболее полезным будет алгоритм, максимально точно описывающим форму объектов с применением минимального количества ячеек. Пакет CST STUDIO SUITE включает средства построения прямоугольных, тетраэдральных и поверхностных сеток, которые по-разному подходят для моделирования различных ситуаций.

Для повышения точности прямоугольного разбиения без резкого увеличения требований к вычислительным ресурсам пакет CST STUDIO SUITE использует  в своем вычислителе во временной области оригинальную технологию аппроксимации для идеальных граничных условий (Perfect Boundary Approximation, PBA) применительно к достаточно общему методу конечных интегралов (FIT). Технология PBA сохраняет скорость вычислений на уровне привычного всем прямоугольного разбиения, но для криволинейных объектов позволяет избежать излишнего измельчения сетки для более точного описания формы.

При тетраэдральном разбиении дополнительные преимущества при моделировании низкочастотных и высокочастотных структур могут быть получены благодаря использованию криволинейных ячеек. Кроме того, в вычислителе в частотной области реализован оригинальный алгоритм оптимизации сетки, получивший название True Geometry Adaptation. Он проектирует «очищенную» сетку обратно на оригинальную модель, сглаживая исходную сетку с гранями, чем обеспечивает более высокую точность моделирования.

Для моделирования этой рефлекторной антенны могут использоваться различные методы дискретизации пространства: для прямоугольных и тетраэдральных (криволинейных) ячеек, для гибридных криволинейных поверхностных ячеек, а также оригинальная технология CST идеальной аппроксимации граничных условий (Perfect Boundary Approximation, PBA).

 

Правильный выбор вычислителя

Ниже приведен перечень доступных вычислительных технологий.

Высокие частоты:

■ Вычислитель во временной области (Transient Solver) — общие задачи

■ Вычислитель в частотной области (Frequency Domain Solver) — общие задачи

■ Вычислитель с использованием интегральных уравнений (Integral Equation Solver) — электрически большие структуры, RCS

■ Асимптотический вычислитель (Asymptotic Solver) — электрически большие структуры, RCS

■ Вычислитель резонансных мод (Eigenmode Solver) — объемный резонанс

■ Модуль синтеза фильтров (Filter Designer 2D) — синтез и анализ СВЧ фильтров

■ Модуль синтеза фильтров (Filter Designer 3D) — синтез и анализ СВЧ фильтров со связанными объемными резонаторами

Низкие частоты:

■ Электростатический и магнитостатический вычислители (Electrostatic / Magnetostatic Solver) — статические задачи

■ Вычислитель стационарных токов (Stationary Current Solver) — анализ постоянных токов

■ Вычислитель во временной области (Transient Solver) — задачи с нелинейными материалами

■ Вычислитель в частотной области (Frequency Domain Solver) — вихревые токи, токи смещения

■ Модуль анализа систем (System Simulator) — расчет интерференции группы источников

EDA:

■ Вычислитель с использованием частичных эквивалентных схем (PEEC Solver) — однослойные платы

■ Вычислитель с использованием матрицы линий передач (TLM Solver) — целостность сигналов

■ Трехмерный вычислитель методом конечных элементов в частотной области (3D FEFD Solver) — целостность цепей питания

■ Проверка правил проектирования (EMC и SI Rule Check) — проверки ограничений EMC и SI на платах

Динамика частиц:

■ Вычислитель трекинга частиц  (Tracking Solver) — низкочастотные устройства, электронные пушки

■ Вычислитель Рarticle In Cell (PIC Solver) — высокочастотные приложения, СВЧ устройства

■ Вычислитель кильватерных полей (Wakefield Solver) — ускорительная техника

Мультифизика:

■ Стационарный и переходный тепловые вычислители (Thermal Solver) — электромагнитный нагрев, биозадачи

■ Механический вычислитель (Structural Mechanics Solver) — тепловое расширение, деформации

EMC:

■ Вычислитель с использованием матрицы линий передач (TLM Solver)

■ Вычислитель кабелей (CST CABLE STUDIO) — кабель и кабельные жгуты

■ Модуль анализа помех (Interference Task) — высокочастотные помехи

■ Проверка правил проектирования (EMC Rule Check) — проверки ограничений EMC на платах

 

Моделирование зоны покрытия Wi-Fi модема. Электрическое поле на частоте 2.45 ГГц внутри автобуса моделировалось с использованием вычислителя во временной обрасти.

 

Пример моделирования размещения антенн на спутнике BepiColmobo Mercury Planetary Orbiter. Слабонаправленные антенны представлены в виде источников поля.

 

Моделирование характеристик слабонаправленной антенны с помощью MLFMM вычислителя на основе интегральных уравнений. Хорошо заметна область тени от расположенной рядом направленной антенны.

 

Качество результатов и скорость моделирования существенно зависит от выбора вычислительного модуля. Вычислитель, который хорошо работает с одним типом моделей, может показывать плохие результаты на других моделях. Это одна из причин, почему пакет CST STUDIO SUITE включает в себя широкий набор разных вычислителей. Благодаря этому, всегда может быть найден инструмент наилучшим образом подходящий для приложений очень широкого частотного диапазона (от постоянных полей для оптического диапазона) и сильно отличающихся размеров (от наночастиц до электрически больших объектов).

Например, вычислитель с использованием интегральных уравнений и асимптотический вычислитель идеально подходят для решения таких задач, как размещение антенн, оценки эффективной площади отражения объекта (RCS), где электрические размеры структуры могут насчитывать сотни или тысячи длин волн.

Маленькие резонансные структуры могут моделироваться более эффективно с помощью вычислителя собственных мод или вычислителя в частотной области, которые разработаны специально анализа таких устройств, как фильтры или ускоряющие резонаторы.

Многие моделируемые конструкции могут состоять из отдельных компонентов, качественное моделирование которых может быть сделано только разными методами. Для таких случаев реализована технология моделирования составных проектов (System Assembly and Modeling, SAM), которая позволяет разбить большую структуру на мелкие объекты, промоделировать их наиболее подходящим вычислителем, а потом объединить полученные данные и получить полные характеристики всего устройства.

 

Высокопроизводительные и облачные вычисления

Компания CST предлагает пользователям различные методы ускорения вычислений: использование многопроцессорных платформ, поддержку графических ускорителей, кластерные и распределенные вычисления. Эти технологии позволяют повысить возможности рабочей станции или разделить моделируемую задачу среди узлов расчетного кластера. Использование методов высокопроизводительных вычислений доступно практически для каждого типа задач и любой конфигурации оборудования: от независимых рабочих станций до сложных промышленных кластеров.

Чтобы предоставить пользователям максимально простой и эффективный способ использования этих методов, компания CST разработала специальную схему лицензирования опций акселерации. С её помощью инженеры получили возможность комбинировать разные способы высокопроизводительных вычислений, совмещая и настраивая необходимые методики ускорения.

Для небольших компаний, но с потребностью в обработки крупных задач, пакет CST STUDIO SUITE предлагает использование удаленной технологии вычисления. С её помощью модель передается по защищенному протоколу провайдеру высокопроизводительного сервера и вычисления выполняются на его аппаратном комплексе. Это означает, что пользователи, периодически сталкивающиеся с потребностью в обработке сложных задач, могут их выполнить без необходимости приобретения и обслуживания крупных вычислительных кластеров.

Поскольку построение высокопроизводительных аппаратных комплексов требует значительных материальных затрат, представителям заказчика, занимающимся закупками и обновлением вычислительных систем, рекомендуется связаться со специалистами фирмы CST для согласования конфигурации, наилучшим образом подходящей для решения клиентских задач. Также фирма CST ведет совместную работу с центрами тестирования аппаратного обеспечения, гарантируя тем самым, что подобранная конфигурация оборудования наиболее эффективно подойдет для работы пакета CST STUDIO SUITE.

Пакет CST STUDIO SUITE поддерживает комбинации методов высокопроизводительных вычислений. Все они могут быть реализованы как на локальной аппаратной платформе, так и в облаке. Отдельные вычислители поддерживают ограниченный класс технологий  ускорения.

 

Автоматическая оптимизация

На характеристики даже самого простого устройства может оказать влияние широкий диапазон параметров. Оптимизация автоматизирует процесс настройки необходимых переменных с целью получения значений, удовлетворяющих установленным требованиям. Встроенные оптимизаторы во всех модулях CST STUDIO SUITE применимы для настройки любого параметра,  включая геометрические размеры модели, свойства материалов, а также форму сигнала возбуждения.

В пакете CST STUDIO SUITE доступны глобальные и локальные оптимизаторы. Локальные техники выполняют поиск решений в окрестности начального значения параметра, поэтому их рекомендуется применять для моделей, близких к оптимальным. Глобальные методики работают в полном диапазоне параметров, ввиду чего они окажутся гораздо практичнее локальных оптимизаторов в случае грубо настроенных моделей или сложных структур.

Предварительный анализ чувствительности (sensitivity analysis) позволит заметно улучшить работу Trust Region Framework оптимизатора CST. Указанная техника выполняет быструю оценку влияния на рабочие характеристики небольших изменений параметров модели, предоставляя важные начальные условия для работы оптимизатора. Анализ чувствительности также позволит оценить всего за один вычислительный цикл влияние допусков изготовления на изменение рабочих характеристик структуры.

Оптимизаторы, доступные в CST STUDIO SUITE:

Локальные

■ Метод доверительных областей (Trust Region Framework)

■ Симплексный метод Нелдера-Мида (Nelder-Mead Simplex Algorithm)

■ Интерполяционный квазиньютоновский метод (Interpolated Quasi-Newton)

■ Классический метод Пауэлла (Classic Powell)

Глобальные

■ Генетический алгоритм (Genetic Algorithm)

■ Алгоритм роя частиц (Particle Swarm)

■ Эволюционная стратегия с адаптацией матрицы ковариаций (CMA-ES)

 

Микрополосковая фазированная антенная решетка, настроенная в диапазоне частот WLAN: до оптимизации (слева), после оптимизации (справа).

 

Пример оптимизации фильтра. На графике показаны характеристики до (красная) и после (синяя) оптимизации методом доверительных областей (Trust Region Framework).

 

Дружественный пользовательский интерфейс

При таком обширном наборе инструментов, который сейчас доступен в пакете CST STUDIO SUITE, очень важно, чтобы нужный инструмент был под рукой в нужный момент. Для облегчения работы пользователя в пакете реализован механизм настройки среды проектирования под конкретные нужды на определенном этапе работы, будь то построение структуры, моделирование или обработка результатов.

Графический интерфейс на основе динамически обновляемых панелей позволяет группировать функции и разделы меню в зависимости от их места в процессе моделирования. Это дает возможность предлагать пользователю только те действия, которые  доступны для данной части проекта на определенном этапе работы. Дополнительные контекстные панели появляются при выполнении специфических задач, например, при настройке сетки разбиения или просмотре результатов анализа.

Стандартный подход к организации цикла проектирования предполагает, что инженер сам выбирает нужные модули программного обеспечения и выполняет в них необходимые настройки. В пакете CST STUDIO SUITE реализован специальный помощник создания проекта, призванный существенно упростить настройку и конфигурацию моделирования.

Мастер конфигурации позволяет легко настроить систему единиц, измерения, граничные условия и автоматически выбрать наиболее подходящий для решения конкретной задачи вычислительный модуль. Опытный пользователь может сохранить однажды сделанные настройки внутри помощника для повторного использования при решении подобного рода задач.

Внешний вид пользовательского интерфейса при моделировании задачи грозозащиты стартовой площадки космодрома.

 

Интеграция потоков проектирования

Широкий набор модулей импорта/экспорта обеспечивает качественный обмен данными с различными CAD системами, причем импортированные структуры могут быть модифицированы, параметризованы и оптимизированы на этапах проектирования. Модели, разработанные в системах SOLIDWORKS и PTC Creo (Pro/E) импортируются в полностью параметризованном формате, что существенно повышает уровень интеграции процессов проектирования.

Возможность импорта и экспорта структурированной информации является фундаментальной основой взаимодействия потоков проектирования. Импорт топологий из EDA систем, в силу особенностей представления данных в них, приводит к появлению в структуре множества граней и зазоров малого размера, сильно усложняющих задачу моделирования. Пакет CST STUDIO SUITE включает сложную интеллектуальную процедуру чистки и автоматического восстановления импортируемой структуры, которая в комбинации с мощной системой построения сетки разбиения обеспечивает эффективное моделирование даже при изначально поврежденных CAD данных.

Для реализации ряда специальных функций, связанных с проектированием интегральных схем CST предлагает модуль CST Chip Interface. Он позволяет импортировать двумерное послойное описание, эмулировать технологический процесс изготовления топологии и на выходе получать реалистичную трехмерную структуру микросхемы.

Металлическое шасси и плата управления принтера, импортированная в CST STUDIO SUITE для выполнения анализа электромагнитной совместимости. Благодаря этому, инженеры Fuji Xerox смогли выявить возможные проблемы EMC до изготовления прототипа.

Поддерживаемые форматы:

CAD

■ ACIS SAT

■ STEP

■ STL

■ OBJ

■ NASTRAN (твердотельный и мешинг)

■ IGES

■ PTC/Creo™ (Pro/E)

■ Autodesk Inventor®

■ CATIA® v4−v6

■ SolidWorks and Solid Edge

■ Parasolid

■ Siemens NX™

■ Biological voxel data

 

EDA

■ ODB++

■ IPC-2581

■ Zuken CR-5000/8000

■ GDSII

■ SPICE

■ Touchstone

■ Single and multi-layer Gerber

■ Mentor Graphics® Expedition™

■ Mentor Graphics PADS®

■ Mentor Graphics HyperLynx®

■ Cadence® Allegro® PCB Designer

■ Cadence Allegro Package Designer

■ Cadence SiP Digital Layout

■ Agilent ADS®

■ AWR Microwave Office®

■ Synopsis® HSPICE, Saber

■ Sonnet®

■ Harness Description List

■ Cadence Virtuoso®

■ Si2 OpenAccess

 

Компания CST строго следует правилу предлагать своим клиентам только лучшие решения. Вместо того чтобы предлагать пользователям универсальные программы решения самых разнообразных задач, компания сфокусировалась на разработке специализированного пакета для 3D EM моделирования и обеспечила простой и понятный механизм связи с лучшими в своем классе программами других производителей, специализированными каждый в своей области.

Специальные интерфейсы обмена данными с другими EDA системами предназначены для решения задач анализа целостности сигналов, смешанного EM и схемотехнического моделирования. Специальный язык макрокоманд на базе технологий VBA и OLE позволяет напрямую обмениваться данными между различными программами, например, MATLAB® или MS Excel®. Пакет CST STUDIO SUITE также умеет выполнять экстракцию списка соединений в формате HSPICE, который автоматически передается в пакет Synopsis HSPICE для последующего моделирования конструкций чип-корпус-плата с учетом паразитных эффектов в каналах передачи сигналов.

В ряде случаев пользователю могут потребоваться специализированные продукты, например, Antenna Magus для синтеза антенн, Optenni Lab для оптимизации цепей согласования, SPARK3D для моделирования ВЧ пробоя и FEST3D для моделирования волноводных конструкций. Все эти продукты имеют прямой интерфейс с пакетом CST STUDIO SUITE и распространяются через дистрибьюторов CST.

Пример интеграции различных программ для проектирования смарт-проектора (слева внизу). Программа Antenna Magus использовалась для разработки антенны (слева вверху), далее с помощью программы Optenni Lab были получены цепи согласования антенны (справа вверху) и затем в пакете CST STUDIO SUITE было выполнено моделирование характеристик устройства с учетом конструкции и размещения (справа внизу).

 

Совместное проектирование механики и электроники

С октября 2016 программное обеспечение CST стало частью обширного семейства продуктов SIMULIA компании Dassault Systèmes, которое включает различные инструменты для моделирования на различных этапах проектирования и производства. Проект смарт-часов наглядно демонстрирует преимущества, которые дает совместное проектирование при разработке современного электронного оборудования, а также как, комбинируя CST STUDIO SUITE с другими инструментами, можно повысить скорость проектирования и снизить затраты на тестирование.

В данном примере смарт-часы состоят из основного модуля с сенсорным экраном и нескольких дополнительных модулей, размещенных в ремешке и связанных между собой гибкими соединителями. Здесь имеются много деталей, где проявляется взаимодействие механических и электромагнитных эффектов, например, деформация экрана при нажатии на него пальцем или механическая прочность и целостность сигналов соединителей.

Смарт-часы, совместный проект CST-SIMULIA

 

СВЧ фильтры

Разработка и оптимизация фильтров является одним из ключевых направлений CST STUDIO SUITE: программное обеспечение содержит набор специальных инструментов моделирования для каждого этапа проектирования фильтра, включая синтез начальной топологии, точную настройку, анализ тепловой расстройки и высокочастотных пробоев.

Отправной точкой в процессе разработки фильтра является составление корректной спецификации. Как правило, проектные требования не ограничиваются лишь описанием частот пропускания и запирания, а включают определение нулей передачи и отражения, величины добротности, уровня пульсаций в полосе пропускания, требования по габаритам, тепловому режиму и стоимости. Кроме того ключевой задачей в процессе разработки является выбор подходящей топологии фильтра, соответствующей проектным требованиям и при этом находящейся в установленных границах. С целью выбора начальной топологии и получения соответствующей модели в составе CST STUDIO SUITE предусмотрен инструмент Filter Designer 3D (FD3D) для синтеза резонаторных фильтров и диплексоров с учетом механизмов кросс-связи, и продукт Filter Designer 2D (FD2D) для синтеза фильтров планарного типа. Возможность экстракции матрицы связи в FD3D позволяет эффективно настраивать 3D структуры фильтров.

Характеристики реальных фильтров будут отличаться от параметров их идеальной математической модели из-за влияния свойств материалов, неточностей изготовления, наличия механизмов связи и влияния коннекторов. Численное моделирование в CST STUDIO SUITE позволяет не только выявить отмеченные эффекты, но и компенсировать их средствами оптимизации. Совместная работа частотного вычислителя и мощных алгоритмов оптимизации (см. стр. 12) позволяет эффективно настраивать необходимые комбинации проектных требований. Технология смещения узлов сеточного разбиения снижет уровень шума дискретизации, повышая скорость и точность настройки фильтров, которые крайне чувствительны к конфигурации разбиения.

В процессе эксплуатации потери электромагнитной энергии приводят к нагреву и деформации фильтра. Совместное мультифизическое моделирование (см. стр.7) связывает результаты EM, теплового и механического моделирования, позволяя учесть тепловую расстройку фильтра перед изготовлением рабочего макета. Кроме того, возможность учета поведения заряженных частиц вычислителем CST Particle-in-Cell (PIC) и программой SPARK3D позволяет анализировать эффекты, связанные с мультипакторным и высокочастотным (коронным) разрядами.

Пример моделирования объемного фильтра с помощью модуля Filter Designer 3D

Пример моделирования планарного фильтра нижних частот с помощью модуля Filter Designer 2D

 

Моделирование антенных решеток

Пакет CST STUDIO SUITE может быть использован для разработки как малоэлементных, так и многоэлементных антенных решеток, а также их сопутствующего оборудования, начиная с синтеза отдельных элементов и заканчивая полным анализом конструкции с учетом фидеров и защитного кожуха.

Технология многоканальных антенн (MIMO, multiple-input, multiple-output) широко используется в современных системах мобильных коммуникаций с целью получения дополнительных преимуществ от многолучевого распространения радиоволн и для улучшения приема сигналов в комплексном окружении, а также как основа для построения умных и когнитивных систем. Пакет CST STUDIO SUITE включает специальный набор инструментов для определения параметров MIMO антенн, таких как спектральная эффективность и корреляция по огибающей.

На случай разработки многоэлементных антенных решеток пакет CST STUDIO SUITE включает специальный мастер, существенно упрощающий процесс проектирования. Сначала моделируются отдельные элементы для расчета и оптимизации их импеданса и диаграммы направленности, затем автоматически  формируется полная модель антенной решетки и выполняется ее электромагнитное моделирование с учетом взаимного влияния элементов и краевых эффектов. Связь с инструментами синтеза решеток из программы Antenna Magus помогает пользователям найти подходящую топологию решетки и способы ее запитки.

Данная антенная решетка автомобильного радара системы ADAS была оптимизирована для работы на частоте 77 ГГц.

 

Взаимодействие вычислителей и гибридное моделирование

Каждый метод моделирования имеет свои сильные стороны и оптимальным образом подходит для решения определенной задачи. Однако, большинство реальных систем трудно подвести под какую-либо одну категорию задач. Как правило, наоборот, они объединяют в себе абсолютно различные дисциплины.

Для моделирования таких систем в пакете CST STUDIO SUITE реализованы различные способы взаимодействия методов, начиная со схемотехнического представления через источники в дальней зоне до полного анализа источников поля в ближней зоне. Это позволяет выполнять гибридное моделирование, используя сильные стороны определенных методов в рамках одной задачи.

Пример 1: электрический разряд в автомобиле

Корпус автомобиля. Электрически большой объект с множеством мелких деталей и большими элементами поверхности с относительно простой геометрией. Хорошо моделируется методом матриц линий передач (TLM).

Проводной жгут. Объект большой длины, но малого поперечного сечения. Хорошо моделируется специализированным вычислителем CBL.

Двунаправленное гибридное моделирование позволяет оценить наводку с кабеля на корпус автомобиля, распространение наводки по корпусу с последующим обратным воздействием на кабель.

Пример 2: анализ характеристик рефлекторной антенны

Cелектор поляризации. Узкополосная задача, хорошо моделируется в частотной области (вычислитель F).

Рупорный облучатель. Широкополосная задача, хорошо моделируется во временной области (вычислитель T).

Параболический отражатель. Электрически большой объект, хорошо моделируется с помощью вычислителя на основе интегральных уравнений (I).

Составной проект. Отдельные части могут быть объединены на уровне схемы или как источники поля. Расчет частей производится поэтапно с  последующим совместным моделированием всего проекта.

 

Технология SAM — моделирование составных проектов

Технология моделирования составных проектов (System Assembly and Modeling, SAM) упрощает моделирование сложных проектов в пакете CST STUDIO SUITE. Разрабатываемое устройство может состоять из нескольких частей, качественное моделирование которых может быть сделано только разными методами. Так как конечные характеристики таких сложных устройств обеспечиваются взаимодействием отдельных его частей, оптимизации каждой из части по-отдельности может быть недостаточно. Требуется оптимизация всего устройства в сборе, и технология SAM предоставляет такую возможность.

При использовании технологии SAM устройство представляется в виде принципиальной схемы, состоящей из отдельных элементов. В самом простейшем случае устройство может состоять из одной единственной параметризованной 3D модели. Пользователь определяет моделирование этой модели посредством описания задач анализа. SAM технология позволяет сравнить результаты, полученные с помощью разных вычислительных модулей или для разных вариаций модели в рамках одного проекта.

Например, пользователь может задавать связанные последовательности запусков различных вычислителей:

первичный электромагнитный анализ фильтра, затем его тепловое моделирование, затем анализ его механических деформаций и конечный электромагнитный анализ фильтра с целью оценки его расстройки. Таким образом, технология SAM дает возможность относительно просто определить и выполнить полный мультифизический анализ устройства.

Добавляя в схему другие 3D модели, можно построить сложную трехмерную конструкцию. Инструменты технологии SAM дают возможность выравнивать и сопрягать отдельные части проекта. Моделирование может быть определено для одной или нескольких частей, для каждой из частей могут быть выбраны определенные методы анализа с собственными настройками акселерации вычислений. Части устройства могут быть описаны или их S-параметрами, или эквивалентными источниками поля для моделирования всей системы. Комбинация всех этих способов моделирования на различном уровне позволяет получить качественный результат и снизить требования к вычислительным ресурсам. Разумеется, технология SAM позволяет определить и выполнить электромагнитное моделирование всего устройства целиком.

Анализ размещения антенн на спутнике. Сначала на корпусе спутника размещаются точки расположения, после чего выполняется выбор типов антенн.

Благодаря технологии SAM отдельные элементы проекта комбинируются в единую модель, которая может быть промоделирована целиком. С другой стороны, технология SAM позволяет связать отдельные элементы проекта как источники поля и выполнить гибридное моделирование.

 


Видео CST STUDIO SUITE 2018
Обзор новых функций пакета CST STUDIO SUITE 2018
Гибридное моделирование в CST STUDIO SUITE 2018
keyboard_arrow_leftВсе продукты раздела CST