CST微波工作室学习笔记—9.求解器

CST微波工作室_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
  • CST微波工作室学习笔记—9.求解器_第1张图片

- 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
  1. 参考T型波导的实例,点击 Setup Solver
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  2. 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
    CST微波工作室学习笔记—9.求解器_第3张图片

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
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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
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-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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