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
• 

- 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
   

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
   

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