CST MICROWAVE STUDIO 培训教程 - pudn.comread.pudn.com/downloads211/ebook/991748/CST MWS_FULL/CST...1998 发布CST MicroWave Studio 1.0 2000 发布CST Design Studio 1.0 2001 发布CST

CST MICROWAVE STUDIO®

培训教程

CST China 上海

5

哈尔滨工业大学－ CST培训中心2004年5月

2 哈尔滨工业大学－CST培训中心 © CST China - Shanghai - www.cst-china.cn

CST MWS 培训教程

初级教程（v1.0）


目次

CST 公司简介

CST MWS 理论简介

CST MWS 功能简介概述 / CAD导入导出

CST MWS 例题例题1：H面波导弯头（S参量）

例题2：圆波导喇叭天线（方向图）

例题3：T形接头（优化）

CST MWS 分类专题建模 / 仿真参数设置流程 / 求解器 / 材料 / VBA宏

CST MWS 第5版新功能简介

CST MWS 应用实例

CST MWS 总结


目次

CST 公司简介









CST MWS 总结


CST 软件的历史: 起源于粒子加速器

汉堡机场

高能粒子加速器周长 6.3 公里耗资8亿欧元


CST 软件的历史

1975 开始研究有限积分法 (Finite Integration)

1983 创立德国美国高能粒子加速器联合MAFIA研究小组

1989 发布MAFIA 3.0版本

1992 发布3.1版本 (宏命令语言、全参量化)

1994 发布3.2版本 (全自动优化)

1992 成立CST公司

1998 发布CST MicroWave Studio 1.0

2000 发布CST Design Studio 1.0

2001 发布CST EM Studio 1.0

2004 发布CST MicroWave Studio 5.0

CST Design Studio 3.0

CST EM Studio 2.0


WWW.CST.COM CST Office

CST Distributor

专业三维电磁场仿真软件开发公司

50%为研发人员，30％为博士，专业为电子工程、物理、数学等

最近三年年平均增长率超过 70 %

1999年成立CST(美国)

2001年成立CST(韩国)

2003年成立CST(中国)


CST 总部

距法兰克福

空港25公里

Hamburg

Berlin

Bonn

Darmstadt

München

CST总部大楼

德国

德国36万平方公里，人口0.82亿相当于云南省的面积，江苏＋上海的人口


目次

CST 公司简介









CST MWS 总结


有限积分法

?r r r r

r rr

r r

r r

r r

E dsA t

B dAA

H dsA

Dt

J dAA

B dAV

D dA QV

⋅∫ = − ⋅∫∫

⋅∫ = +

⋅∫∫

⋅ =∫∫

⋅ =∫∫

∂

∂∂

∂

∂∂

∂

∂

0

Maxwell积分方程


be

数字化

每一个“单元格”都有不同的材料

属性

每一个“单元格”都有不同的材料

属性

核磁共振成像头部数据单元格

有限积分法：Yee网格


nlkji beeee &−=−−+

bnel ej

ei

ek

∫∫∫ −=AA

dd ABsE &

δbCe &−=

{43421&

444 3444 21beC −

⋅

⋅−=

⋅⋅⋅⋅−−⋅⋅⋅⋅

n

l

k

j

i

bdtd

eeee

1111

有限积分法：麦克思维方程的离散化


有限积分法：解析到网格的一一映照

1976导出Maxwell积分方程 Maxwell网格方程

FIFI

0SbqdS~

jdhC~bCe

==

+=

−=&

&

( )

0AdB

QAdD

AdJDsdH

AdBsdE

V

V

A A

AA

=

=

+=

−=

∫∫

∫∫

∫ ∫∫

∫∫∫

δ

δ

δ

δ

&

&

div curl = 0 S C = 0curl grad = 0 T~

C S = 0FIFI


有限积分法：通用算法

Maxwell 网格方程

∂∂ t

≠ 0

瞬态场(慢变)

MWSMAFIA

EMS

∂∂

ωt

ia∂∂ t

= 0

静电场

静磁场

稳恒电流

粒子跟踪

简谐场(非齐次 j>0)

瞬态场(快变)

自恰带电粒子

PS

本征场(齐次 j=0)


CST专有技术1：PBATM – 理想边界拟合

Geometry Approximation Calculation Speed

FE + -FDTD, TLM, FI (MAFIA 4) - +FI+PBA (CST MWS+EMS) + +

1998

CST Microwave Studio 1.0


CST专有技术2：TST – 薄片技术


FE + -FDTD, TLM, FI (MAFIA 4) - +FI+PBA (CST MWS+EMS) ++ +

2002

CST Microwave S

tudio 4.0

薄片技术1个网格3种材料


N (网格节点数)

CPU时间 FE

MOM, BEM

M ( ) = rbe 隐式算法

TLMFDTD, FITD ( ) = M ( )b b

e (n+1) e (n)

显式算法

计算时间：有限元 vs 有限积分

T ~ N2

T ~ N1.1-1.2

有限元

CPU时间与节点数平方成正比

有限积分

CPU时间与节点数成超线性关系


时域有限积分： “蛙跳”算法图解

2/1+ne t

2/1−ne 1−nb> 2/1+ne> bn>

没有矩阵的求逆过程 !

( ) = M ( )e eb (n+1) b (n)

显式时域积分


仿真算法的比较

Freq Domain Solvers

FEM, MoM, FIT

•隐式算法( A x = b )

•单频稳态

Time Domain Solvers

FIT, FDTD, TLM

•显式算法( xn+1 = M xn )

•宽频瞬态

CSTMAFIAMWS

CST 同时拥有时域和频域两种求解器


目次

CST 公司简介









CST MWS 总结


CST MWS 功能简介

概述


主窗口介绍

主菜单

导航树（NT）工具栏

VBA编辑／调试器（拖动下面这条线可拉出）

状态条

仿真向导相关菜单

绘图平面


在线帮助

仿真向导

MWS帮助

在任何窗口按“F1”或点击，便可弹出与当前相关的帮助

还可从主菜单（Help）

直接启动各类帮助

VBA帮助

在线例题

版本号


在线例题

基础教程

时域

提取SPICE模型

本征模

模式分析

频域

系统内置诸多例题（Help->Examples Overview）

其建模、设置和计算均已完成，供大家学习和参考


License

License（File->License）是最重要的设置

已经具备的配置选项

有效期

指定新的License文件

Dongle编号


历史记录

执行到选中命令为止

单步运行命令

使命令实效（激活）

将选中命令转换为全局坐标

删除命令

将选中命令创建为宏

修改某条命令

查找字符串

更新整个mod

历史记录（Edit->History List）里包含了迄今为止所做的所有操作

通过历史记录，可以很方便的更改模型和任意多次的Undo、Redo


CST MWS 功能简介

CAD导入导出


CAD结构数据格式（三维）

AutodeskACIS• Inventor• Mechanical Desktop

Dassault SystemeACIS, Parasolid, CATIA• SolidWorks• CATIA• (ACIS)

PTC Parametric Techn.

• ProE• CADDS• ICEM• (Granite One)

EDS-PLMParasolid, IDEAS• IDEAS (Ex SDRC)• SolidEdge• Unigraphics• (Parasolid)

CST MWS, EMS

SAT

STEPIGESSTL

SATSTEPIGESSTL

CATIA R.4

STEPIGESSTL

ProE R.20

ACIS 12.0


DXF/GDSII 格式输入（二维）

新2D 输入对话框:每一个 DXF/GDSII 层都可以单独设置

生成平面平面提升平面厚度

2 D 输入，真正的 0 厚度

2D-输出DXF格式


与Agilent ADS建立接口

3D EM ... CST MWS

在ADS窗口中，可以把模型数据输出到CST中


导入到CST MWS

全自动输入:- 所有的层和结构- 材料属性- 频率设置- 端口

底层的大小可以轻松修改

M icro

E lectro

M echanical

S witches


导入CAD结构的后续参数化

结构模型即使在导入后也可以改动和参数化:

自动操作符识别 (孔, 半径等...)可对操作符进行操作

改变半径


目次

CST 公司简介









CST MWS 总结


H面波导弯头

要求：仿真H面90°波导弯头的S参数

尺寸：2×4×10cm

频带：4～5GHz

模型结构图

S11(dB)

S21(dB)


欢迎窗口

启动MWS，首先见到“欢迎”窗口

选中“Creat a new project”

点击“OK”确认

自动打开“仿真向导”对初学者很有用

已经创建的文件


选择模板

选择Waveguide Coupler模板并确认

模板类型

模板选取方式：

1. 创建新项目File->New

2. 随时选用模板File->Select Template

模板参数

CST MWS内建了各类模板

对各种问题都定义了恰当的参数

能有效地节省时间提高效率


设置工作平面

首先设置工作平面（Edit->Working Plane Properties）

将“捕捉间距”改为1工作平面大小

在交互式建模时

（通过鼠标来输入坐标）

恰当的设置工作平面可

帮助您精确定位

捕捉间距（双击鼠标位置分辨率）

栅格间距


仿真向导

以下步骤可遵循仿真向导（Help->QuickStart Guide）依次进行

当前步骤

已完成步骤

未完成步骤


设置单位

设置单位（Solve->Units），将Dimensions单位改为cm

尺寸单位

频率单位

时间单位

合适的单位

可以减少数据输入

的工作量


设置背景材料

设置背景材料（Solve->Background Material），此处不作变动

对闭场问题

将背景材料设为PEC

只画空气和介质部分

可减小建模和运算时

的工作量

背景材料类型

名词解释：

1. 背景材料－未建模部分皆由背景材料填充

2. 环绕空间－所建模型边界外增加的额外计算空间

各个方向增加的尺寸（只能为正数）


创建第一个立方体－定点

选择基本形体中的立方体（Objects->Basic Shapes->Brick）

观察屏幕右下角（余同）

1. 移动鼠标到 X＝-2，Y＝1 3. 拖动鼠标到 X＝2，Y＝-1

5. 拖动鼠标到 h＝10

2. 双击，确定第一点

4. 双击，确定第二点 6. 双击，确定第三点

续


创建第一个立方体－生成

预览

7. 在弹出窗口中将物体名字改为straight-1，确定

8. 第一个物体创建完成！

物体参数输入窗口

更改物体名

材料为空气


设置旋转轴

1. 按Tab键，弹出窗口依次输入3，4，确定

确定

点击边线工具（Objects->Pick->Edge from Coordinates）

3. 再次弹出窗口直接确定

2. 再按Tab键，弹出窗口依次输入3，-4，确定

预览


操控视角

运用各种快捷键，将视角转向，让我们能观察到物体的底端面

操控视角快捷键（配合鼠标拖动）：

1. Shift －平面内旋转

2. Ctrl －旋转

3. Shift＋Ctrl－平移

底端面


选取端面

点击选面工具（Objects->Pick->Pick Edge）

双击长方体的底端面，将其选上

选取操作快捷键：

1. P－选取端点 2. M－选取中点

3. R－选取圆点 4. C－选取圆心

5. E－选取棱边 6. F－选取端面

双击


生成旋转结构

旋转角度

点击旋转工具（Objects->Rotate）

输入角度90°，命名为bend，确定

旋转总高度差

末始半径比

确定

预览

旋转正方向满足右手法则


选取端面（2）

再次调整视角，选取物体bend的外端面


生成拉伸结构

拉伸高度

点击拉伸工具（Objects->Extrude）

输入拉伸高度10，命名为straight-2，确定

扭曲度数

张角度数

确定

预览


建模完成

至此，整个建模工作完成


视图选项主窗口的显示可以在视图选项（View->View Options）里调整

这里“显示边界框”的选项较为常用，其它的推荐采用缺省设置

当有特殊需要时，如想得到一张“干净”的图，则可将Draw中的其他选项去掉

显示工作平面

显示坐标轴

显示边界框

显示背景材料

显示文字信息显示控制点

仅显示线框


设置频率

设置频率范围（Solve->Frequency）

对TEM波

将下频设置为0

可提高仿真速度

一倍以上上频

下频

注：

1. 为保证精度，最高频率一般应该设为工作频率的1.3倍

2. 因时域算法的特点宽带比窄带仿真速度快

3. 频率单位已预先设定为GHz

将上频（Fmax）和下频（Fmin）分别设置为5、4


设置边界条件

设置边界条件（Solve->Boundary Conditions）

边界条件综述：

1. 电边界－切向电场为0

2. 磁边界－切向磁场为0

3. Open边界－波以最小反射穿过（模拟自由空间）

4. Open (add space)边界－用于天线远场计算

5. 导体壁边界－边界为有耗金属

6. 周期性边界－用于周期性问题

因模板设定所有的边界都是电边界（electric）

相当于周围都是PEC金属壁，故此处不做变动


设置对称面

设置对称面（Solve->Boundary Conditions->Symmetry Planes）

对称面综述：

1. 无－对此平面不设置对称面

2. 电壁－切向电场为0

3. 磁壁－切向磁场为0

视仿真问题场分布

设置一到三个对称面

可减少1/2到7/8的网格数

从而减少内存需求

提高仿真速度

对此问题，因为电力线都垂直于XZ平面，XZ平面相当于电壁

故可以在XZ平面设置电壁（electric(Et=0))

以降低一半的网格数目


设置端口－步骤

按以下步骤，设置两个波导端口

1. 原始图形 2. 选择端面 3. 单击直接确认，设置1端口

6. 观察两个端口5. 再单击直接确认，设置2端口

4. 选择另一端面


设置端口－波导端口

设置波导端口（Solve->Waveguide Ports ）

波导端口通常用于波导、同轴线和微带等问题的端口设置

它具有馈入能量和吸收返回能量的作用

端口范围（若已选中平面则自动设置）

此端口处需要吸收的模式个数（通常用于高次模的吸收）

端口坐标类型：1、手动输入2、整个平面3、所选端面

弹出窗口直接确定


设置监视器设置监视器（Solve->Filed Monitors ）

频域监视器〔常用〕（特定频率的电磁场分布）〔占用存储空间很少〕

常用监视器类型：

1. E-Field－电场分布

2. H-Field/Surface Current－磁场分布/表面电流

3. Farfiled/RCS－远场辐射特性（天线问题）/RCS（辐射源为平面波）

时域监视器〔较少使用〕（特定时间段的电磁场分布）〔会占用大量存储空间〕

输入频率（Frequency）为4.5（GHz）

选择Type为电场（E-Field），应用（Apply）

再选择磁场（H-Field/Surface current），确认（OK）

监视器类型


设置求解器设置求解器（Solve->Transient Solver）

求解精度

直接保持原有设置，开始求解（Start solver）

激励端口

激励模式

自适应网格加密

优化设置

开始求解

高级设置

激励信号类型

仅计算端口模式


求解过程一般性求解过程如下

1. 初始化 2. 求解1端口

4. 所有端口求解完成

3. 求解2端口

点击可显示本次求解过程详细设置

正常信息

警告信息

错误信息


1D结果－端口信号（1）

1D Results展开

注：屏幕左边的导航树（Navagation Tree）简称“NT”

1. 双击NT的1D Results，将其展开 2. 点击Port signals在主视图可看到端口信号图

续

端口信号图


1D结果－端口信号（2）3. 点击i1则可在主视图单独观察入射信号（其余同理）

端口信号类型：

1. i1 －1端口入射波信号

2. o1,1－1端口输入在1端口的反射波信号

3. o2,1－1端口输入在2端口的反射波信号

注：

此问题具有S参数的对称性

故系统只进行了1端口激励

2端口结果自动得出

1端口入射波信号


S21(dB)

1D结果－S参数

S11(dB)

用同样的方法可观察S参数（有线性值和dB格式可选）


1D结果－驻波计算完成后，通过结果后处理，系统会由S11自动计算出驻波曲线

（Results->S-Parameter Calculations->Calculate VSWR）

并在NT的1D Results里添加相应条目


1D结果－特性参数

启动“特性参数”方法（其余同理）：

1. 双击1D结果图

2. 从右键菜单选择 1D Plot Properties

可在“特性参数”窗口对1D结果的显示进行设置

1D结果图上右键菜单其它常用选项：

1. Axis Marker－显示定标点

2. Show Measure Lines－显示测量线

3. Select Curves－选择要显示的曲线

X/Y坐标显示范围

X/Y坐标是否自动以最大范围显示


2D/3D结果－端口模式

NT->2D/3D Results->Port Modes->Port1->e1

可观察端口电场（继续展开可观察各个场分量，余同）

端口模式图

端口模式图中除了本模式的电/磁场分布外还有此模式的截止频率、端口阻抗等信息


因为电场在物体内部，所以必须采取以下方法，方可观察到内部电场

1. 选择“线框”模式（从右键菜单选择 Wireframe) 或

2. 选择“透明”模式（从右键菜单选择 All Transparent）

2D/3D结果－电场分布NT->2D/3D Results->E-Field->e-filed (f=4.5) [1]

可观察电场分布（观察磁场分布同理）

电场分布图


2D/3D结果－表面电流

NT->2D/3D Results->Surface Current->h-field (f=4.5) [1]->abs

可观察表面电流

表面电流标量图

表面电流矢量图（一般不用）


2D/3D结果－特性参数（1）

可在“特性参数”窗口对2D结果的显示进行设置

启动“特性参数”方法（其余同理）：

1. 双击2D结果图

2. 从右键菜单选择 Plot Properties

视当前显示图形不同（2D/3D），弹出的特性参数的窗口也不同（3D Scalar Plot / 3D Vector Plot），不过设置上大同小异

现以电场矢量图进行说明

取对数方式

在场值相对大

小过于悬殊时

特别有用动态显示

当前相位

绘图类型

箭头数目

将场值取对数

续


2D/3D结果－特性参数（2）

现列举特性参数中不同设置的效果（以电场分布图为例）

箭头数增加（500->5000）

将场值取对数（以10为底）

相位改变（0°->90°）

绘图类型改变（箭头->刺猬方式）

电场分布图（缺省设置）


观察网格

观察网格（Mesh->Mesh View）

在正式计算时，通常需要进行收敛性分析，即逐渐的加密网格

如果前后两次的结果趋于稳定，才是精确的，可靠的

模型结构图网格剖分图（10点／入）


调整网格密度网格属性（Mesh->Mesh Properties）

下两图是每个波长分别划分5点和20点的比较

5点／入

20点／入

每个波长划分点数（用于电大问题）

每边至少划分点数（用于电小问题）

最大最小网格之比（越大计算越慢）

最小网格步长（越小计算越慢）

网格总数

各边划分的网格数


不同网格密度结果比较

以驻波曲线图为例，比较不同网格密度的结果

20点／入10点／入

5点／入

结果分析：

从图上可以看出，5点／入的结果相对误差较大，不可用

10点／入和20点／入的结果很接近，满足误差要求

一般情况下，10点／入是精度和速度都比较合适的设置

已收敛！

误差较大


自适应网格加密－设置

自适应网格加密

也可选中自适应网格加密（Solver->Transient Solver->Adaptive mesh refinement）

让MWS自动进行收敛性分析，系统会在一个合适的网格密度停止计算

通常情况下，缺省设置即为最佳

前后两次计算S参数的最大误差

最多计算次数最少计算次数

续


自适应网格加密－步骤1. 设置完成后选择“开始求解”，MWS自动进行收敛性分析，如果内置的专家系统

判断结果已经收敛，就会弹出提示窗口，点击“确定”后完成整个计算

2. NT中自动增加了Adaptive Meshing项目，展开后可以看到各种1D Results的变化

前后两次计算S参数的最大误差

各次计算得到的S1,1


目次

CST 公司简介









CST MWS 总结


圆锥喇叭天线

要求：仿真喇叭天线的辐射参数

尺寸：R=10mm, L=20mm, Degree=30o

频带：8～12GHz

模型结构图

三维方向图

二维方向图


选择模板

开始新项目

选择空间体天线（Antenna (in Free Space, waveguide)）模板并确认

空间体天线

对于天线问题，CST MWS内建了四种模板供选用

1. 空间平面天线

2. 空间体天线

3. 接地平面天线

4. 接地体天线


设置单位

设置单位（Solve->Units）

因模板设置满足我们需要（mm，GHz），故此处不做变动


设置背景材料

设置背景材料（Solve->Background Material）

因模板设置满足我们需要（Vacuum），故此处不做变动

对于天线问题

背景材料一定为空气

Normal (ε=1, μ=1)


创建圆柱

选择基本形体中的圆柱（Objects->Basic Shapes->Cylinder）

直接按ESC键，弹出窗口，输入以下数据并确定

外半径（Outter radius）=10，Zmax =20，层（Layer）选择PEC

径向方向

圆心坐标

内外半径

径向范围

材料（层）


创建喇叭

下面通过拉伸工具来创建喇叭

1. 选取圆柱顶面

拉伸高度

2. 选择拉伸工具弹出窗口

3. 输入以下数据并确定拉伸高度（Height）=20张角（Taper）=30°层（Layer）选择PEC

张角

材料（层）


全层相加使用全层相加（Objects->Add All Shapes on Layer）命令

将两个物体加在一起

1. 在NT中选择PEC层

2. 使用全层相加命令

3. 整个PEC层变成一个物体

两个物体一个物体

在很多情况下

使用全层相加命令

可大大降低网格数


掏空

1. 分别选取物体前后两个面

壳的创建方向1. 内部2. 外部3.中部

使用掏空（Objects->Shell Solid or Thicken Sheet），生成喇叭

2. 选中此物体

3. 选择掏空命令，弹出窗口输入以下数据并确认选择外部方向（Outside）厚度（Thickness）=2

壳厚度

掏空命令对

对波导、喇叭以及

抛物面天线的建模

都极为有用


建模完成

至此，整个建模工作完成


设置频率

设置频率范围（Solve->Frequency）

上频

下频

将上频（Fmax）和下频（Fmin）分别设置为12和8


设置边界条件

设置边界条件（Solve->Boundary Conditions）

Open VS. Open (add space)

1. Open－在边界上加PML模拟自由空间波以最小反射穿过

2. Open (add space)－与Open边界类似但增加了额外的空间用于计算远场辐射特性专用于天线问题

因是自由空间中的天线问题，所以所有的边界设定为Open (add space)


设置端口设置波导端口（Solve->Waveguide Ports ）

1. 运用快捷键，转换视角

2. 选取波导口面

3. 设置波导端口，输入参数后确定

模式吸收数（Number of modes）=5

端口吸收模式数

完成图


设置监视器设置监视器（Solve->Filed Monitors ）

远场监视器

完成以下设置后确定（OK）

选中远场/RCS（Farfield/RCS）类型

频率（Frequency）=10（GHz）

监视频率


设置宽带远场监视器

运用系统宏（Macros->Monitors->Broadband Farfield Monitors ）

可一次性在设定多个远场监视器

起始频率

执行宏后出现对话框

将起、止频率和步长分别改为9，11和1（即共设9、10、11三个监视器）并确认

终止频率

步长


模式分析－启动设置求解器（Solve->Transient Solver）

选中“仅计算端口模式”（Calculate modes only），开始求解（Start solver）

开始求解


选中此选项后

就只计算端口模式

不执行整个时域仿真

可预先了解模式分布


-------------------------------------------------------------------Mode Type Z-Wave Z-Wave-Sigma Z-Line F-Cutoff1 TE 7.836e+002 1.219e-005 --- 8.769e+0002 TE 7.836e+002 1.219e-005 --- 8.769e+0003 TM 2.099e+002 3.871e-006 --- 1.145e+0014 TE 3.596e+002 8.770e-006 --- 1.448e+0015 TE 3.579e+002 7.133e-006 --- 1.452e+001

-------------------------------------------------------------------

模式分析－记录文件

打开求解记录文件（Results->View logfiles->Solver logfile）

其中有如下文字：

此表列举了头5个模式的截止频率等特性

在最高频率（Fmax=12GHz）以下，有三个模式

为了减小误差，必须去掉频带内高次模的影响

故端口设置的吸收模式数不能小于3

系统会在端口选择

的每个模式上花费时间

故端口模式一般选择为

高次模的数量加一


模式分析－场分布

观察基模电场分布（NT->2D/3D Results->Port Modes->Port1->e1）

端口基模电场分布图

观察到端口上第一个模式的电场与XoZ平面对称

故可以在YoZ平面设电壁


设置对称面

设置对称面（Solve->Boundary Conditions->Symmetry Planes）

对称面综述：

1. 无－对此平面不设置对称面

2. 电壁－切向电场为0

3. 磁壁－切向磁场为0

因本问题基模的电力线都垂直于YZ平面，YZ平面相当于电壁

故可以在XZ平面设置电壁（electric(Et=0))，以降低一半的网格数目


不设对称面的头五个模式Mode Type Z-Wave Z-Wave-Sigma Z-Line F-Cutoff1 TE 7.836e+002 1.219e-005 --- 8.769e+0002 TE 7.836e+002 1.219e-005 --- 8.769e+0003 TM 2.099e+002 3.871e-006 --- 1.145e+0014 TE 3.596e+002 8.770e-006 --- 1.448e+0015 TE 3.579e+002 7.133e-006 --- 1.452e+001

-------------------------------------------------------------------设对称面后的头五个模式

Mode Type Z-Wave Z-Wave-Sigma Z-Line F-Cutoff1 TE 7.836e+002 1.223e-005 --- 8.769e+0002 TE 3.596e+002 8.784e-006 --- 1.448e+0013 TE 2.488e+002 8.052e-008 --- 1.815e+0014 TM 5.711e+002 1.239e-005 --- 1.816e+0015 TE 2.195e+002 5.978e-006 --- 1.986e+001

模式分析－对称面影响

设置对称面后再次进行模式分析，观察求解记录文件，发现头五个模式发生了变化：

原因是因为对称面的设置，让某些模式被“吃”掉了（如基模的简并模式和次高模）

所以在仿真多模问题时，要特别注意对称面的设置

Where？


去掉选择“仅计算模式”（Calculate modes only）

设置激励模式（mode）为1，开始求解（Start solver）

设置求解器设置求解器（Solve->Transient Solver）

激励模式

开始求解


此处可选择是用哪

一个模式进行激励

（All表示所有模式）


1D Results

在1D Results中观察S11和驻波曲线

S11

VSWR


Farfield－3D方向图天线的辐射特性可在NT->Farfields中得到

天线方向图（与模型朝向一致）

Farfield

方向性系数辐射效率等相关信息


Farfield－特性参数（1）可在“特性参数”窗口对Farfield结果的显示进行设置

启动“特性参数”方法：

1. 双击Farfied结果图

2. 从右键菜单选择 Plot Properties

在Farfield Plot中选择Plot mode页

并在下拉菜单中选择增益（Gain）并确定

显示的3D方向图就由方向性系数改为增益，同时左下角也可看到最大增益的具体数值

续

绘图模式


Farfield－特性参数（2）在Farfield Plot中选择General页，在绘图类型（Plot type）中选择Polar

并设置好绘图平面参数并确定，就可得到对应的极坐标方向图

绘图类型绘图平面

Phi=90°

Theta=90°

绘图步长（决定图线的光滑度）

Phi=90°（Step=20°）


目次

CST 公司简介









CST MWS 总结


带销钉的T-接头

要求：优化带销钉的T形接头，使带内S11最小

尺寸：每段为10×20×50mm的T形三通

中间加一根半径1mm的PEC销钉

频带：9～12GHz

模型结构图

S11(优化前)

S21(优化后)


建模前设置

因相关设置前面已详细叙述过，故此处不再赘述

建模前设置步骤：

1. 开始新项目

2. 选择Waveguide Coupler模板并确认

3. 设置工作平面为（100，10，10）

4. 单位（mm，GHz）不作改变

5. 背景材料（PEC）不作改变


T－形波导选中基本形体中的立方体，直接按ESC键，在弹出窗口中输入以下数据并确定

Xmin=-10, Xmax=10, Ymin=0, Ymax=10, Zmin=20, Zmax=70, Layer=Vacuum

再选中立方体，直接按ESC键，在弹出窗口中输入以下数据并确定

Xmin=-50, Xmax=50, Ymin=0, Ymax=10, Zmin=0, Zmax=20, Layer=Vacuum

真空T－形波导便建立完成


输入参数

点击工具栏上图标

或从主菜单选择（Edit->Parameters）激活参数输入框

参数名参数数值

（可以为表达式）参数描述（注释）

在（Name，Value，Description）中分别输入：

（h，10，height），（offset，20，location）后确定（Close）

含义：定义了h和offset两个变量，其初始值分别为10，20


销钉

选中基本形体中的圆柱，直接按ESC键，在弹出窗口中输入以下数据并确定

Orientation=Y, OuterRadius=1, InnerRadius=0

Xcenter=0, Zcenter=offset, Ymin=0, Ymax=h, Layer=PEC

PEC销钉便建立完成因已定义参数 offset=20此时输入 offset则相当于直接输入数字20

此处亦是用变量h来代替数字10


建模后设置

Port 3

1. 设置频率范围为9～12GHz

2. 边界条件（Boundary Condition）不做改变（均为electric边界）

3. 在设置对称面（Symmetry Planes）里，将XZ平面设为电壁（electric）

4. 选取3个端面，分别设为1、2、3端口

Port 2

Port 1


初算

启动时域求解器，选取Port 1，直接开始仿真

开始仿真

只计算Port 1


初算结果

计算完成后，观察S11，发现S11很大，近乎全反射

带内S参数最大值


启动优化器

启动优化器（Solve->Transient Solver->Opitimization）

启动优化器

优化器窗口


优化器设定－优化参数

选中优化器的优化参数页（Parameters）

最佳值

当前值

初始值

最大/最小值

需优化参数

毋需优化参数

选中offset变量，在Reset min/max框中输入20，并点击此按钮

统一设定参数变化范围


优化器设定－优化目标（1）

选中优化器的优化目标页（Goals）

点击添加参数（Add new goal），在下拉菜单中选择S Parameter

以S参数为优化目标

续

用户还可自定义优化目标（如天线的增益，主瓣宽度等）



在弹出的定义S参数目标窗口中，输入以下参数后，确定

Type＝Mag (dB)，Operator＝min，Frequency range＝Total

优化条件

min VS. move min

min：－最小化频带内S参数

move min：－S参数的最小值最靠近给定频率

频率范围

续



设定完成后的优化目标窗口如下：

修改此目标删除此目标

开始优化

CST MWS里可以不同频段设定不同的优化目标，多目标同时优化

选中一个已定义的目标，点击Edit按钮，可对它进行修改，删除等操作


开始优化

开始优化时，系统会自动切换到信息页（Info），显示优化进程中各种信息

其中有迭代次数，优化目标函数初始值，上次值和最佳值

其中“最优参数值”（Best parameters so far），显示了当前的最优参数

最优参数值


初次优化完成

1. 系统有时会警告需增加Sample或减小参数变化范围，一般情况下是增加Sample

2. 确定后再次出现警告，告知最佳参数已在设定的范围边缘

如果模型许可，加大参数范围，可得到更优的目标函数值

3. 再次确定后选择Yes，用最佳参数更新模型


重设优化参数

返回优化参数页（Parameters），更改以下设定后按Start，重新开始优化

将Reset min/max改为100并点击此按钮，以扩大参数范围

将Samples改为6

扩大参数范围

更改Samples

开始优化


重新优化

最优参数

重设优化参数后，没有出现警告信息，顺利完成

确认更新，Info页上显示最佳参数为7.07723，此即销钉的最佳Z坐标

点击Close按钮关闭窗口

注：

理论上最佳参数为offset＝10

为节省时间故

没有进行网格加密

导致结果与理论值约有偏差


优化后的S11

带内S参数最大值

观察1D Results中的S11，此时S11的最大值为-11.77，实现了我们的优化目标


优化后的模型结构图

优化结束后，模型自动更新，销钉位置改变


目次

CST 公司简介









CST MWS 总结


CST MWS 分类专题：建模


基本3D结构汇总除了立方体外，CST MWS还提供了各种基本建模单元，均可依照前述方法构建

方块

圆柱圆环

椭圆柱

球体

圆锥

拉伸

旋转


2D图形输入

除了3D模型，在建模时，经常还需要进行平面图形的构建

2. 选取所需结构

其它2D结构构建方法类似

1. 点击工具栏上图标

或从主菜单选择Curves->New Curve

3. 按ESC键，输入结构参数4. 预览无误后确定

创建新曲线

点选“圆环”

生成圆环

输入圆环参数


结构变换－概述

除了基本构件，结构变换工具是运用最多的，所以必须熟练掌握


或从主菜单选择Objects->Transform

1. 建好物体 2. 双击此物体，或在右边的NT上选中

4. 打开变换窗口

圆锥！必须先选中需要变换的物体


结构变换－窗口详解

特定参数（随操作而异）

原物体是否保留

新物体是否单独命名

变换重复次数新物体材料设置

变换基点

平移

放缩

旋转

镜像

操作类别

是否以物体重心为变换基点


结构变换－效果举例

现对各类变换命令的效果举例说明（皆为预览效果）

依XOY平面镜像

绕X轴旋转90°

四次平移（不保留原物体）

两次平移（保留原物体）

原始物体

Z向缩小一半


布尔运算－概述

CST MWS共提供了加、减、相交和插入四种布尔运算

进行不同布尔运算后的结果

立方体“加”圆球

立方体“减”圆球

两物体“相交”

将圆球“插入”立方体（裁减）

两不同材料物体（立方体和圆球）


布尔运算－操作步骤现以立方体“减”圆球为例，来说明布尔运算的操作步骤

1. 原始两不同材料物体

2. 选择第一个物体（立方体）

4. 选择第二个物体（圆球）


或从主菜单选择Objects->Boolean->Subtract

5. 回车确定


工作坐标系－概述

所有WCS指令含义见下：

全局坐标系工作坐标系

将WCS与所选面对齐将WCS与所选棱边对齐

将WCS与所选点对齐

将WCS与所选3点对齐

旋转WCS

平移WCS

开/关WCS

VS.

CST MWS中有两套坐标系统

1. 全局坐标系（X，Y，Z）

很多功能只针对它有效；

2. 工作坐标系（U，V，W）（简称WGS）

可方便的用它创建倾斜物体


工作坐标系－应用举例（1）现用一立方体上倾斜圆柱的创建过程来举例说明WCS的用法

4. 让WCS与顶面对齐

1. 全局坐标系下的立方体 2. 绕Z轴旋转30°

3. 激活WCS，选中顶面

续


工作坐标系－应用举例（2）

8. 让WCS与棱边对齐

5. 选中顶点 6. 让WCS与顶点对齐

7. 选中棱边

续


工作坐标系－应用举例（3）

12. 最终效果

9. 将WCS沿V轴旋转30° 10. 在WCS下创建圆柱

11. 在Overlap提示框中将二者相加


创建第一个立方体1. 点击工具栏上图标

或从主菜单选择Objects->Basic Shapes->Brick

3. 弹出设置窗口，点击“确定”

第一点

2. 依次点击绘图平面，确定三个点

第二点

第三点

4. 第一个立方体创建成功！


其它建模参数输入方式

用ESC键输入立方体参数

在CST MWS中，还有另两种建模参数输入方式

用TAB键输入第二点坐标

2. 按ESC键，在弹出窗口中输入所有参数1. 按TAB键，直接当前输入点的坐标

灵活运用这三种方法，可以非常方便快捷的完成建模


旋转结构－螺旋的建模

定义旋转轴线.

1. 定义要旋转的截面

定义整个螺旋的圈数和高度.NOTE: 旋转方向依赖右手法则

2. 旋转3. 预览

4. 确定

5. 删掉刚才选的虚拟截面,按 (D)

-椭圆截面-半径比 = 3

helix.mod

See also: Helices as Curves


拉伸生成扭曲波导

锥度角 = -5 度

选择面


渐变操作

渐变操作

选择要连接的2个面，以生产新的结构物体

新物体的轮廓结构是根据原来所选的面渐变而得的

选择 -> Loft...

说明: 即使2个参考面不平行也可以操作


由解析曲线生成旋转体

2) 在历史记录中可以编辑方程: enter your function and update historyFor xxx = 1.5 To 10 STEP 0.5

yyy = 3*aaa/xxx + Sin(xxx^2)

1) 执行宏命令Construct / Create 2D-Curve analytical (xy/uv) 说明:

MWS也可使用变量对解析结构进行优化

3) 使用捕捉功能对解析曲线闭合

4) 由线到面 5) 旋转

analytic_curves.mod


倒角

1. 原始物体

2. 选中要倒角的棱边

4.b 设置倒角半径5. 最终结果

3.a 倒直角点击工具栏上图标或从主菜单选择Objects->Chamfer Edges

3.b 倒圆角点击工具栏上图标或从主菜单选择Objects->Blend Edges

4.a 设置倒角宽度


掏空“掏空”功能对很多物体（如波导，喇叭，抛物面天线等）的建模都极为方便

1. 原始物体

2. 分别选中前后两个面

4. 设置参数

5. 最终结果

3. 从主菜单选择2、Objects->Shell Solid or Thicken Sheet

“壳”厚度

“壳”的创建方向


目标的捕捉在建模的很多地方都会用上目标捕捉（Objects->Pick）

目标捕捉有一些很有用的功能，如：

捕捉两“点”得到此两点间的距离

捕捉一个“点”得到此点三维空间坐标

捕捉一条“边”得到这条边的长度

可以省去坐标的计算和输入，精确定位

捕捉中点

捕捉面心捕捉圆心

捕捉棱边捕捉面

捕捉圆边点

捕捉端点


参数化结构（1）

CST MWS中，几乎所有的输入数据都可以参数化

参数化后，结构修改，参数扫描，性能优化等功能实施都极为便利

现以结构的参数化为例来进行说明

1. 创建半径为2，长为5的圆柱体 2. 点击工具栏上图标

或从主菜单选择Edit->Parameters

激活参数输入框

续



3. 在弹出窗口中输入如下数据，定义结构参数 4. 选中圆柱，从右键菜单中选择 Properties然后选中圆柱定义项点击“编辑”

5. 用刚定义的变量代替原有的常数点击OK按钮确定

参数填入位置续

圆柱定义项



6. 更新后的圆柱形状保持不变 7. 再次点击参数图标将半径更改为1并点击“更新”

8. 更新后圆柱形状发生变化

总结：

根据同样的步骤

将关键的结构尺寸参数化

可以使日后的结构修改极为便利

“更新”按钮

圆柱半径


建模综合练习

请综合运用各种建模工具，完成以下模型

1. 半径渐变螺旋 2. 同轴线

4. 魔T3. 微带天线


CST MWS 分类专题：仿真参数设置流程


仿真过程总览

选择模板（可选）

设置单位

定义结构

设置频率

设置边界条件

设置端口

设置场监视器（可选）

求解

结果分析

对仿真过程不熟悉的人，可以遵循

QuickStart Guide（Help->QuickStart Guide）上的步骤来进行


模板选择CST MWS内建了数种模板，每种模板对特定的器件类型都定义了合适的参数

选用适合自己情况的模板，可以节省设置时间，提高效率，对新手特别适用

所有设置在仿真过程中随时都可以进行修改

熟练者亦可不使用模板

1. 创建新项目File->New

进入方式：

2. 直接选用模板File->Select Template

模板类型

此种模板所设置的参数


一、设置单位


或从主菜单选择 Solve->Units

单位设置

频率单位

尺寸单位

时间单位

在通常情况下，时间单位可以不用设置


背景材料设置

各个方向所增加的尺寸（只能为正数）

材料类型选择1. 背景材料：

a. 未建模空间则用背景材料填充

2. 环绕空间：

a. 所建模型边界增加的额外计算空间

a. （通常用于Open边界）

材料属性设置（对Normal材料）

二、设置背景材料


或从主菜单选择 Solve->Background Material


频率范围设置

最低频率1. 为保证精度，最高频率应为

a. 工作频率的1.3倍

2. 最低频率设置为0

a. 可以减少仿真时间一倍以上

a.（预先需要做误差比较）

最高频率

三、设置频率范围


或从主菜单选择 Solve->Frequency

3. 因为时域算法的特点

a. 宽带比窄带仿真速度快


边界条件设置－边界条件

设置各边界面的边界

1. 电边界：切向电场为0

有耗金属的电导率

四. 设置边界条件


或从主菜单选择 Solve->Boundary Conditions

2. 磁边界：切向磁场为0

3. Open边界：波以最小反射穿过

（模拟自由空间）

4. Open (add space)边界：

（用于天线远场计算）

5. 导体壁边界：边界为有耗金属

6. 周期性边界：用于周期性问题

Open边界的详细设置参数（包括Open(add sapce)边界）续


边界条件设置－对称面

电壁

1. None：此平面无对称面

在边界条件设置对话框中，还可进行对称面的设置

视仿真问题的场分布，设置一到三个对称面，可以减少1/2，3/4，甚至7/8的网格数

2. electric：

a. 电壁，同电边界

3. magenetic：

a. 磁壁，同磁边界

磁壁


激励源设置－波导端口（1）


或从主菜单选择

Solve->Waveguide Ports

CST MWS中有三类激励源：波导端口、离散端口和平面波

波导端口通常用于波导和同轴线的端口设置

它起着馈入功率和吸收返回功率的作用

1. 选中端口面

3. 完成设置

注（MWS V5.0以前版本）：

1. 波导端口必须与全局坐标面平行

2. 波导端口只能处于整个模型的边界位置续



极化角

以下对波导端口的设置参数作一简单说明

此端口处需要吸收的模式个数（通常用于高次模的吸收）

端口坐标类型：1、手动输入2、整个平面3、所选端面

端口范围（若已选中平面则自动设置）

是否定义“多脚”端口

参考面的位置

端口方向

续



同轴线端口设置流程

微带线端口设置流程（通常将对应的整个平面作为端口）




Solve->Waveguide Ports

激励源设置－离散端口（1）

离散端口同样可以馈入功率和吸收返回功率

通常用于线天线和IC等器件的馈电

1. 对称偶极子

4. 完成设置

2. 依次选中相对两个端面的圆心

续


激励源设置－离散端口（2）

以下对离散端口的设置参数作一简单说明

是否记录端口处的电压和电流（原始为时域信号，同时给出傅氏变换后的频域信号）

端口参数不同端口类型分别为1、阻抗2、电压3、电流

端口位置（选取两点后自动给定）

端口类型1、S参量2、电压源3、电流源


2. 从主菜单选择 Solve->Plane Wave

激励源设置－平面波平面波专用于RCS问题的激励源设置

如果输入的电场矢量与波传播方向不正交，系统会提醒并自动更正

1. PEC圆球

波传播方向电场矢量

平面波参数设置


场监视器设置

在CST MWS中，可以设置监视器来获得计算区域内的电磁场分布

常用的监视器类型有电场、磁场/表面电流和远场/RCS三种

远场/ RCS监视器为天线/ RCS问题必须

计算完成后，可在Navigation Tree中观察结果

六、设置场监视器（可选）



Solve->Field Monitors

监视器名称（自动生成）监视器域（常用频域）

监视器类型1、电场2、磁场/表面电流3、功率流4、电流密度5、功率损耗密度（SAR）6、电场能流密度7、磁场能流密度8、远场/RCS


集总元件设置

在CST MWS中，只要给出两脚的空间位置和性能参数

便可轻松的设置R、C、L和二极管等各种集总参数元件

七、设置集总参数元件（可选）



Solve->Lumped Elements

元件类型1、串联RLC2、并联RLC3、二极管

是否监视电压和电流（原始为时域信号，同时给出傅氏变换后的频域信号）

元件位置（如果事先选择了两点则会自动给定）

元件参数


时域求解器设置所有的设置完成后，便可设置求解器，准备求解

CST MWS提供了时域、频域和本征模三个求解器

其中时域求解器为MWS的专长，应用范围最广，精度最高

八、设置时域求解器



Solve->Transient Solver

激励信号类型1、高斯脉冲2、矩形脉冲3、用户自定义

用于激励的模式需要激励的端口1、所有端口2、选定的端口3、某个特定端口

求解精度

打开自适应网格加密


开始时域求解优化


材料设置－综述

在CST MWS中，用不同的层（Layer）来区分不同的材料

构造物体时得指定物体所属的层，

系统内置的层有PEC和真空，如果所建物体不属于这两种，就得另建新层

亦可在NT的Layers上单击右键

直接建立新层

指定层建立新层

续


材料设置－建立新层

材料类型1、PEC2、普通（介质类型）3、各向异性材料4、有耗金属

在新建层时最重要是指定材料类型和对应的材料参数

有耗金属的材料参数

普通型的材料参数

各向异性材料参数

层颜色

层属性窗口


网格－观察

点击工具栏上图标或从主菜单选择 Mesh->Mesh View

便可以观察网格划分情况

在正式计算时，通常需要进行收敛性分析，即逐渐的加密网格

如果前后两次的结果趋于稳定，才是精确的，可靠的

也可选中自适应网格加密（Solver->Transient Solver->Adaptive mesh refinement）

让MWS自动进行收敛性分析，系统会在一个合适的网格密度停止计算


网格－设置

最大最小网格之比（越大算得越慢）

从主菜单选择 Mesh->Mesh Properties，可以调整网格设置

每个波长划分的点数（用于电大问题）

每边必须划分的点数（用于电小问题）

进阶设置

每个方向划分的网格数

网格总数

最大网格步长

最小网格步长

下两图是每边划分5点和20点的比较

每边划分20点

每边划分5点


CST MWS 分类专题：求解器

时域求解器


时域算法的优点：快速宽带计算

时域中的输入信号关心的带宽 (e.g. 1-6 GHz)

FFT

时域分析

时域中的反射信号

FFT, ARF

频域中的反射信号

Am{S11}

S11 versus frequency

相除

不会错过任何一个响应!


CST MWS 分类专题：求解器

本征模求解器频域求解器


时域求解 vs 频域求解

时域模式分析

带宽逐渐减小，Q值增大

时域+

自回朔滤波器频域


3D本征模求解器中的周期性边界条件

表面电流单个螺旋周期 E H

1、2、3次模的色散特性

行波管周期结构

基模色散特性


频域求解器中的周期边界：扫描角

波导阵单元

z


CST MWS 分类专题：材料

色散材料


色散材料

传导率色散材料设置


CST MWS 分类专题：VBA宏


目次

CST 公司简介









CST MWS 总结


对于有精细结构的仿真，这一灵活的局部子网极大地提高了运算速度和极大减少了对计算机的资源占有 (通常改善在5-10倍或更多)!

多层子网嵌套

20万网格

采用三级子网≥ CST MWS 5.0

120万网格

无子网< CST MWS 5.0

网格可在计算区域内任意中止 (不规则网格)自动子网格优化(自回朔子网嵌套) 首次在时域算法中引入非规则子网

大量减少了网格的数量PEC区域不划分网格


分布计算

Frontend

Frontend

SolverServer

SolverServer

公用存储器

局域网上某些高性能的PC可作为计算用服务器这些服务器只能从用户终端界面提交作业可支持任意数量的计算服务器和用户终端界面服务器和终端可自由通信

应用举例:

1. 多端口、多模式进行激励2. 参数扫描3. 优化分析


自适应网格的完善 II

微调专家系统参量创建新网格

创建初始网格(由专家系统)

结束

开始仿真

评估误差

CST MWS 5.0中安装了具有自学功能的自适应网格专家系统

自适应的专家系统

+ 通用性好，适合于所有情形+ 网格结构数据可再利用o 只需一次多步计算

改善的专家系统 (同时控制体、面、边的网格)


目次

CST 公司简介









CST MWS 总结


平面微带天线阵

差波束和波束

同轴馈电


目次

CST 公司简介









CST MWS 总结


CST MWS 总结

1) 友好的用户界面直接进行CAD模型的建立

强大的后处理

2) 高速度和高精度有限积分法 + PBA + TST (大结构)

显式时域求解 (宽带）

端口模式, 色散，有耗，旋磁材料

3) 良好的兼容性强大的CAD导入、导出

集成化开放平台 CST DESIGN STUDIO

4) 自动优化OLE及VBA宏语言

Word, Excel, PowerPoint, Matlab, 动画

5) 专家系统各类应用仿真向导

基于专家库的自动网格剖分

6) 技术支持 / 快速的软件开发

3 2005.1.2 电大报告会哈工大 © CST China - Shanghai - www.cst-china.cn

目次

概述

电大天线实例展示

电大RCS实例展示

电大天线仿真全过程演示

电大RCS仿真全过程演示

电磁仿真技巧汇总


目次

概述








概述


概述

电大：100个入－－数值方法目前在32位机器上的上限

数值方法：FIT(FDTD)、FEM、MoM －－低频方法

数值方法的特点：直接maxwell求解，精确，全空间，但速度慢

高频近似方法：物理光学(PO)、一致性绕射理论(UTD)

高频近似方法的特点：近场结果差，通常仅对纯金属的结构简单的物体有效


数值方法比较

32位机：FIT可算8M网格（2GB RAM），一般小于8小时；FEM只能计算20万网格，需两天

64位机：目前最多16CPU、128GB RAM，对目前来说，可算的网格点数超过4亿点，注意：可算并不意味着计算速度的加快，而仍是FIT线性，FEM二次方

例如：对于有限元方法，如果10 万个网格点需要10 小时CPU，则100 万点则需1000 小时！


仿真环境

现本公司所使用的仿真计算机配置如下

以下所有仿真时间均按此机型给出

Dell Dimension™ 4600 w/HT n-series (VID) Desktop

P4 2.8GHz (HT) CPU

2GB SDRAM

Windows XP Professional


目次

概述










各类天线（1）

波导裂缝天线微带天线阵

平板裂缝天线阵

微带天线阵

抛物面天线


各类天线（2）

弹载八木天线

弹载遥测天线


各类天线（3）

机载天线


各类天线（4）

舰船天线

TEM暗室

Vivaldi宽带天线


各类天线（5）

卫星天线

仿真细节


各类天线（5）

分形天线

头盔天线


标准RCS测试 NASA


标准RCS定义－角锥


整机RCS仿真


相阵天线RCS


波导开槽天线

3D方向图模型结构图

统计数据2D方向图

各向尺寸：33λ×0.5λ×1λ

网格点数：244,766

计算时间：30 m

50个裂缝频带＝8～12 G


模型结构图


3D方向图


2D方向图


平面微带天线



各向尺寸：18λ×3.5λ×0.35λ

网格点数：722,304

计算时间：4 h

24×4个辐射单元频带＝5～8 G


模型结构图


3D方向图


2D方向图


开槽天线阵

仿真方向图（2D）模型结构图

统计数据

各向尺寸：19.5λ×10.5λ×1λ

网格点数：9,851,010

计算时间：35 h（一天半）

326个裂缝频带＝15～20 G


模型结构图


2D计算方向图


微带天线阵



各向尺寸：12λ×12λ×1λ

网格点数：720,792

计算时间：3.5 h

10×10 单元频率＝15～40 G


模型结构图


3D方向图


2D方向图


抛物面天线




网格点数：7,241,040


频率＝2.5 G


模型结构图

长度＝8 m (66.7 λ)

观察频率＝2.5 G

λ＝120 mm


3D方向图


2D方向图


飞行器八木天线

统计数据2D计算方向图


网格点数：728，248

计算时间：12 m

3D计算方向图模型结构图

频率＝3～5 G频带＝3～5 G


3D结构


3D方向图


2D方向图


弹体天线

单元天线方向图模型结构图

统计数据同相阵列方向图


网格点数：1,205,936

计算时间：13 m

频带＝2～3 G


模型结构图

背部镜像天线

构成天线阵


3D方向图－单元天线


3D方向图－同相天线阵


3D方向图－反相天线阵


飞机天线




网格点数：7,502,950


频率＝3 G


模型结构图


3D方向图


2D方向图


MWEE 2000 天线考题

10 GHz时的电流分布

S-Parameter in dB

0 10 20f / GHz

频率范围: 0-10 GHzCpu时间: 15 MinutesPentium 2 - 450 MHz

HFSS: 2 h 23Sun Unix Ultra24CPUs/2GB

MWEE: Microwave Engineering Europe 《欧洲微波工程》杂志 www.mwee.com

http://www.mwee.com/magazine/2000/CAD_nov.htm


MWEE 2000 天线考题《欧洲微波工程》杂志 www.mwee.com搜索关键词: benchmark

http://www.mwee.com/magazine/2000/CAD_nov.htm

AnsoftHardware informationThe Ansoft simulation was performed on a 450MHz Sun Ultra II machine with 4 processors and 2GB of installed memory. The amount of time required performing the simulation at 10GHz was 20 minutes 10 seconds. The starting mesh was 24,071 (156k unknowns), and the final mesh after three adaptive passes was 33,914 (218k unknowns). The sweep from 0.5GHz to 10GHz took 2 hours, 23 minutes and 21 seconds for 950 frequency points. The maximum memory required was 821Mb, and the maximum disk space required was115Mb. Software informationThe software version used was AnsoftHFSS V8 Alpha.

CSTHardware informationA fast calculation of the S-parameters for the desired frequency range 0 -10GHz can be performed within 15 minutes on a 800MHz PIII. The frequency range from 0 -20GHz was obtained in 64 minutes on the same PC. The required memory for this calculation was about 100MB.Software informationCST MICROWAVE STUDIO 2.1 (CST MWS). This 3D solver is based on the FI method in combination with the Perfect Boundary Approximation (PBA) which allows the partial filling of mesh cells.


A Ka-band Planar Printed Antipodal Linearly-tapered Slot AntennaMicrowave Journal, July 2001

By Meng-Chung Tsai and Huey-Ru Chuang

Vivaldi Antenna Study 1/3Comparison to FEM and Measured Results


MWS ~ Red LineMeasured ~ Blue Line

MWS side lobe accuracy

Note the shoulder accuracy.



“The total computing time (HFSS FEM) is about 9 hours, including 18 iterations at 30 GHz, …. The computing platform is a Pentium-III 600 PC with 1GB RAM.”

The total computing time in CST Microwave Studio (FITD) is 34 minutes.The computing platform is a Pentium-III 700 PC with 256 MB RAM.

Solver Statistics:Number of meshnodes: 125400

Number of processors used: 1 Mesh generation time: 25 sSolver time: 2017 s

------------Total time: 2042 s (= 0 h, 34 m, 2 s )

With CST Microwave Studio, you receive the highest accuracy in the shortest amount of time!

Vivaldi.mod



宽带天线

3D 方向图模型结构图

统计数据2D 方向图


网格点数：563,013

计算时间：15 m

频带＝0～15 G


模型结构图


3D 方向图


2D 方向图


VSWR


舰船天线

3D 方向图模型结构图

统计数据2D 方向图

各向尺寸：1λ×1λ×0.5λ

网格点数：1,071,840

计算时间：12 m

频带＝0～150 M


模型结构图


3D 方向图


2D 方向图


GTEM室

同轴线馈电端模型结构图

统计数据幅频曲线－Ey

各向尺寸：444λ×198λ×144λ

〔应用频率外推技术！〕

网格点数：6,841,260

计算时间：30 m

频带＝0～20 G

0 1 2 3 4 5 6 74.88

4.89

4.9

4.91

4.92

4.93

4.94

4.95

4.96

4.97

Frequency ( GHz )

Mag

nitu

de (

V/m

)

Ey ( Coordinate Re-transformation )


立体图


后视图


同轴线馈电端


Probe设置


幅频曲线－Ey

0 1 2 3 4 5 6 74.88

4.89

4.9

4.91

4.92

4.93

4.94

4.95

4.96

4.97

Frequency ( GHz )

Mag

nitu

de (

V/m

)

Ey ( Coordinate Re-transformation )


分形天线

电流分布

远场

Acrobat-Dokument


分形天线


分形天线


头盔超高频天线及其辐射SAR

Naval Post Graduate School – Dept of Electrical Engineering, Monterey, CA美国海军研究生院电子工程系加州Monterey


头盔超高频天线及其辐射SAR


头盔超高频天线：VSWR及方向图


目次

概述










RCS的基本概念

雷达能检测、跟踪和识别目标，是因为存在回波信号

回波信号反映出目标的特性，可归纳为一个有效面积即

－－雷达反射截面积（RCS）

RCS的定义：

式中，E0是照射到目标处的入射电场强度

Es是雷达所在处的散射波的电场强度

通常我们只关心后向散射（反射回波源方向的能量），即后向RCS

20

2

24limE

ER

s

Rπσ

∞→=


标准：RCS Benchmark(NASA Ames Research Center)

Benchmark模型结构图

仿真结果统计仿真结果对比

各向尺寸：21λ×4.5λ×4.5λ

网格点数：8,080,884

计算时间：4 h


模型结构图

圆锥高＝605 mm半径＝75 mm

观察频率＝9Gλ＝33.3 mm


平面波设置


Benchmark 仿真与测试结果

☯实线为测试结果

☯虚线为作者所编软件仿真结果


结果对比

-14.76-49.99-42.94-35.72MWS仿真值(dB)

-15-54-50-33作者仿真值(dB)

-15-52-44-35测试值(dB)

-100-160-170-180后向RCS(H)(°)


飞机RCS

3D 散射方向图模型结构图

仿真结果统计（平板卫星）2D 散射方向图


网格点数：8,516,130


频率＝3 G


模型结构图

机腹

介质涂敷


3D 散射方向图


2D 散射方向图

后向RCS


目次

概述










卫星上天线布局优化

卫星结构图天线单元结构图

仿真结果统计（平板卫星）完整卫星结构图


网格点数：7,132,392



单元天线技术要求

单元天线：λ/4同轴线馈电的双臂背射螺旋天线

技术要求：俯仰角±φ1度的范围大于G1 dB

俯仰角±φ2度范围内大于G2 dB

初始数据：对方提供

优化变量：螺旋直径、螺距

优化区间：对方提供


初始单元天线

初始天线严格按照

初始数据建模


网格剖分错误

死机：设置好频率后，剖分网格时死机，Why？

检查：因螺旋线是嵌入在介质棒中，在建模时，将介质棒和螺旋线

进行了插入操作，使得介质棒的结构非常零碎，造成

网格剖分非常困难，需要很长的时间，出现假死机现象

技巧：在CST MWS中，PEC和介质重迭时，可以不用进行插入操作，

系统默认PEC的优先级最高

解决：将插入操作去掉，再重新设置频率，一切恢复正常


内部端口

MWS 5.0新增加了内部端口的功能

此问题中，同轴线的长度对问题的影响不大

将同轴线缩短，将端口设置在同轴线内部

可以减少网格数量，加快仿真速度

2D方向图叠加显示


螺旋线修改

实际：螺旋线截面为直径1mm的圆

修正：将截面改为2×2mm2的矩形

目的：加快收敛，避免出现坏点

60点／入收敛 25点／入收敛V.S.


天线单元结构图


天线单元－收敛性分析

收敛性分析：精细的结构需要精细的网格

25点／入20点／入

25点／入


天线单元－优化

要求：希望得到半空间全向天线

优化：增益最小 (Results->Template Based Postprocessing)

优化


卫星天线技术要求

优化变量：根据星体方向图优化天线的低仰角覆盖性能

技术要求：俯仰角±φ1度的范围大于G3 dB

俯仰角±φ2度范围内大于G4 dB

初始数据：对方提供

优化变量：天线架高、水平位置和倾角

优化区间：对方提供


下接金属板

下接0.5m2金属板下接1m2金属板

与实测结果对比吻合


局部网格加密根据前面的收敛结果（25点／入），确定螺旋线的最大分辨网格

再采用局部加密，用最少的网格数得到精确的结果

达到速度和精度的最优


天线单元－无限大地平面

下接1m2金属板〔6,047,612点〕下接无限大电边界〔294,120点〕


卫星结构图


平板卫星（一）


平板卫星（二）


局部网格加密


平板卫星 V.S. 完整星体

完整星体

平板卫星

Phi＝135°Phi＝180°


完整卫星结构图

星体≈２m见方帆板每侧长６m总长度≈14m频率：2～3GHz


帆板逐步逼近

逐步增加帆板数量

观察其影响

证实用平板卫星仿真的可行性


VBA统计分析程序－界面

Theta变化范围

Phi变化范围

频率和极化选择

各区域的统计结果


VBA统计分析程序－内容

利用CST MWS内置的VBA编译器

可以很轻松的编制出远场辐射性能统计分析程序

在此模型中，运行此VBA，一次就可全部得出各个区域的

平均增益

不满足增益门限值的角度范围

不满足门限值的角度位置及均方差

最小增益及位置

⋯⋯⋯⋯

在此程序的辅助下，可以很容易的得出最佳天线布局


目次

概述










教程：角反射体的RCS

要求：计算角反射体的后向RCS

尺寸：边长均为50mm，壁厚2mm

频率：9GHz

模型结构图

全向RCS

后向RCS

-12.3 dBsm仿真值

-11.8 dBsm理论值

WinRAR ZIP 压缩文件


建模前设置

因相关设置前面已详细叙述过，故此处不再赘述

建模前设置步骤：

1. 开始新项目

2. 选择Antenna (in Free Space, waveguide)模板

3. 设置工作平面为（100，10，10）

4. 单位（mm，GHz）不作改变

5. 背景材料（Normal）不作改变


创建方块

选中立方体工具，直接按ESC键，在弹出窗口中输入以下数据并确定

Xmin=Ymin=Zmin=0, Xmax=Ymax=Zmax=50, Layer=PEC

一个边长为50mm的PEC正方体便创建完毕


移动工作坐标系

1. 依次选取正方体的三个顶点 2. 点击

将WCS的UV面与此三点确定的平面对齐

为了使用UV刀来切割物体，得先移动工作坐标系

UV刀：将被选物体沿UV平面一分为二


切割

2. 执行主菜单命令 Objects->Slice by UV Plane用UV平面将其切割为两个物体

1. 双击主视图中物体或单击NT相应项目将其选中

3. 选择其中较大的一块按Del键，将其删除仅余下一个四面体

UV刀

删除


成型

3. 执行主菜单命令Objects->Shell Solid or Thicken Sheet选择Direction＝Outside，输入Thickness＝2

1. 选取四面体的斜面 2. 选中四面体

4. 确定，建模完成！

使用去壳工具，可很方便的一步成型


建模后设置

1. 设置频率范围为0～13GHz

2. 边界条件（Boundary Condition）不做改变（均为Open (add space)边界）

3. 设置一个10G 的 Farfield/RCS 监视器

用TEM波激励时下频可设置为0

上频为待求频率的1.3倍

注：激励为平面波时， Farfield/RCS 监视器得出的就是RCS方向图


设置平面波

RCS问题的激励均为平面波

选择主菜单 Solve->Plane Wave，弹出平面波设置窗口

设置传播方向为(-1, -1, -1)（轴线方向入射），电场矢径为(0.5, 0.5, -1)

传播方向电场矢径


设置求解器

选择主菜单 Solve->Transient Solver

采用缺省设置，直接启动仿真

激励源为平面波


仿真结果－全向RCS

选择 NT->farfields->farfield (f=10)[pw]，观察全向RCS

后向RCS可以通过观察相应的二维切面得到

后向RCS为入射波反方向


仿真结果－设置观察面

双击远场主视图，弹出远场视图设置窗口

请选择 Plot type 框中的 Polar

并选择 Vary/Angle step width 框中的 Theta，在 Phi 栏中输入45，点击Ok

观察Phi为45°平面的RCS


仿真结果－后向RCS观察主视图中的二维方向图，其主瓣和副瓣分别表征了前向和后向RCS

将主瓣增益减去旁瓣抑制度，即可得后向RCS＝(-10.0)＋(-2.3)＝-12.3 dBsm

后向RCS前向RCS

注：本例较特殊，故后向RCS可方便得出，一般的，可选择

File->Export->Plot Data (ASCII)，在导出文件中查看特定角度的RCS


理论值

角反射体入射沿对称轴入射的RCS理论值为

其中，为有效面积

224 λπ effARCS =

本例角反射体的直角边长为0.05m，对10GHz的观察频率，波长为0.03m

代入公式，算得

effA

对直角边长为a的直角正角反射体，斜面的等边三角形边长为，

斜面面积（有效面积）为，则

a2

2

23 a 2

43λπaRCS =

dBsmmRCS 84.1106545.0 2 −==


结论

从上表可以看出，仿真值与理论值的误差仅为4％

经过收敛性分析，误差还可进一步减小

此经典散射体的仿真结果，证明了MWS对RCS仿真的准确性和有效性

4％误差

-12.3 dBsm仿真值

-11.8 dBsm理论值


相控阵天线RCS

3D散射方向图模型结构图

仿真结果统计2D散射方向图

各向尺寸：35.5λ×34λ×0.3λ

网格点数：4325650

计算时间：24 h

1000个三角频带＝5～17 G


缩小模型分析－错误

1/4结构1/8结构

1/2结构（上）1/2结构（下）


缩小模型分析－正确

2/5结构1/5结构

4/5结构3/5结构


贴片厚度分析

此模型的三角阵厚度为0.2mm，使得最小网格亦减小为0.2mm，极大的增加了仿真时间。因所求频率的波长为数十mm，将三角阵厚度增加到1mm，理应对结果影响不大。现用1/5尺寸的模型来验证此猜想。

从上可以看出，厚度在λ/10范围内变化，对后向RCS不会造成实际性的影响。故以后我们均采用1mm厚的三角阵来仿真计算，以加快仿真速度。

-15.28-15.01-14.81后向 RCS(dB)

10.20.035厚度 (mm)


完整模型结构图


平面波设置


3D散射方向图


2D散射方向图

后向RCS


灵敏度分析

Theta＝15°（后向RCS）位于极灵敏区，对角度非常敏感

而采用CST MWS的数值仿真的灵敏度却可以达到很高


目次

概述










基本概念：网络理论

H(ω)x(t) y(t)

H(w) = F{ y(t) } / F{ x(t) }

S21(ω)a1(t) b2(t)

S21(ω) = F{ b2(t) } / F{ a1(t) }

路理论

场理论


基本概念：时域vs频域

S21(ω)a1(t) b2(t)

S21(ω) = F{ b2(t) } / F{ a1(t) }

时域

S21(ω)A1(ω) B2(ω)

S21(ω) = B2(ω) / A1(ω)

频域


基本概念：时域vs频域 (2)

S21(ω)a1(t) b2(t)时域

S21(ω)A1(ω) B2(ω)

而频域则简单为从f1扫频至f2

频域

欲求：频率范围为f1 – f2

a1(t)的信号带宽要足够包含f1到f2的范围所以程序中要将fmin=f1/1.3 和 fmax=f2*1.3


基本概念：时域算法

时域中的输入信号关心的带宽 (e.g. 1-6 GHz)

FFT

时域分析

时域中的反射信号

FFT, ARF

频域中的反射信号

Am{S11}

S11 versus frequency

相除

不会错过一个响应 !


频带范围设置

1、如待考察频率为f1～f2（对点频，f1＝f2），则

☯ Fmin＝f1/1.3

☯ Fmax＝f2*1.3

2、如主模的截止频率为fcut，则必须保证

☯ Fmin＞fcut

>cutfNO ！


善加利用PBA

善加利用CST MWS专有的PBA技术

较稀疏的网格亦可完美逼近斜面和曲面结构

2 h851,20020 0.4％

30 m244,76610 增益相对误差CPU时间网格总数点／入


CST专有技术：PBATM – 理想边界拟合


FE + -FDTD, TLM, FI (MAFIA 4) - +FI+PBA (CST MWS+EMS) + +

1998

CST Microwave Studio 1.0


去掉小网格

降低Ratio，去掉不必要的细小的网格，可大大加快仿真速度

0.07 0.28


微带端口范围设置

采用波导端口对微带进行馈电

如介质的介电常数为ε，厚度为h

则可设置端口的高度＆宽度

εh×

=5


频率和长度外推

对场量渐变的结构

采用频率外推和长度外推技术

可计算超大电尺寸的模型

高频大尺寸结构

低频

小尺寸结构


真实模型逼近分析

对于形状复杂结构，采用真实模型逼近分析

可最大限度的保证仿真结果真实可信


结果后处理模板

结果后处理模板（Results->Template Based Postprocessing）功能非常强大，可用其替代很多已往必须依靠自编VBA来实现的功能（如自动进行收敛性分析），并极大的扩展了优化和参数扫描的范围

单个数值一维曲线

众多模板

扫描对象

优化目标

一网打尽


自动收敛性分析（一）

现以系统自带的偶极子天线（Help->Examples Overview->Transient Analysis Examples->Antennas->Dipole Antenna）为例讲述利用结果后处理模板来自动进行收敛性分析的全过程

定义参数meshline赋初值10

将其作为网格设置变量填入


自动收敛性分析（二）

选择结果后处理模板中的0D Results中的Farfield模板将Plot Range改为3D Plot后，OK确认由此设置了远场增益模板


自动收敛性分析（三）

在瞬态求解器对话框中选择参数扫描（Par. Sweep）选择参数meshline并完成如下设置后点击Start按钮，系统将自动扫描10、15、20点／入并记录下远场增益的变化


自动收敛性分析（四）

选择NT->Tables->0D Results->gain phi=0便可观察到远场增益随网格加密的收敛情况


天线阵的计算

对于天线阵的处理，CST MWS极其方便且功能强大，共提供了3+1种计算方法，现以一圆贴片天线为例


方法1：方向图相乘

方法１：采用方向图相乘的方式


方法2：分别激励

方法2：将所有单元建模，分别对每个端口进行激励，最后在结果后处理中设置各单元的相位和幅度，得到天线阵的方向图


方法3：同时激励

方法３：将所有单元建模，在求解器中设置好特定的幅度和相位关系，同时对所有端口激励，得到特定的天线阵方向图


前三种方法优劣比较

方法1只需建模＆计算一个单元，速度最快，但没有考虑互耦

方法2和3都考虑了互耦，如果设置相同的幅度和相位，则结果相同

方法2所需的时间为方法3的N倍，N为端口数，但它可以在计算完成后任意设置各单元的幅度和相位关系，此乃其长处


方法3＋1：磁对称面

如果模型满足如下特定条件：

1、两个对称天线2、同相等幅激励

则可将对称面设置为磁面（Magnetic），只计算一个天线，便可得到考虑了互耦的阵方向图


共形天线建模

背面结构图

对规则的共形表面（如圆柱），可以很容易的完成共形贴片的建模

圆柱：半径＝5，高＝20

贴片：轮廓＝〔(3,0)，(-3,3)，(-3,-3)〕厚度＝0.1

正面结构图

cylinder-conform.zip


构建圆柱体

先画一个半径＝5，高＝20的圆柱


构建贴片轮廓

选择Curves->New Curve

选择Curves->Polygon ，按ESC键，输入三角形轮廓坐标

（其他任意形状的图形均可采用此方式输入）


构建二维贴片

选择Curves->Cover Planar Curve

再双击刚生成的轮廓线，在弹出的对话框中设置材料后确认

这样一维的贴片轮廓就变成了二维贴片


构建贴片柱

选择Objects->Pick->Pick face ，双击贴片选中

选择Objects->Extrude ，输入拉伸高度10后确定，生成贴片柱


构建共形筒

选择Objects->Pick->Pick face ，双击圆柱表面

选择Objects->Extrude ，输入拉伸高度0.1后确定，生成共形筒


生成共形贴片

选择贴片柱，再选择Objects->Boolean->intersect

再选择圆柱体，回车确定，生成共形贴片


总结

☯ 贴片轮廓贴片轮廓柱

☯ 共形物体共形曲面

更复杂的共形模型以及馈电同轴线的共形建模同理可得

交集

共形贴片

para-conform.zip


单机RCS宏

Macros -> Solver -> RCS -> Calculate monostatic RCS(V2)

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CST MICROWAVE STUDIO 培训教程 - pudn.comread.pudn.com/downloads211/ebook/991748/CST MWS_FULL/CST...1998 发布CST MicroWave Studio 1.0 2000 发布CST Design Studio 1.0 2001 发布CST