Parameter sweeping Tutorial - cst-korea.co.kr · 1 •Nov-03 CST MICROWAVE STUDIO 를이용한Microstrip 필터의 Parameter sweeping Tutorial Computer Simulation Technology

www.cst.com • Nov-031

CST MICROWAVE STUDIO를 이용한 Microstrip 필터의Parameter sweeping Tutorial

Computer Simulation Technology

www.cst.comwww.cst-korea.co.kr


목록

1. Create a new project 2. Model the structure3. Define the Port 4. Define the Frequency Range5. Define the Background Material 6. Define the Boundary Condition7. Start the Simulation8. Analyze the results9. Parameter Sweeping (1)10. Parameter Sweeping (2)


Create a New Project

해석할 구조에 맞는 Template를 선택하여초기 해석 조건 을 설정 할 수 있다.전자기장 해석을 위해서는 해석하기 전에해석하려는 대상에 적합한 Units, BoundaryConditions, Background Material, Mesh조건, Solver 등을 정의해 주어야 한다.가장 많이 사용되는 12가지의 경우에 대하여해석조건이 설정되어 있으며, 해석하려는구조에 맞는 template를 설정 함으로서,별도의 해석조건을 설정 없이도 최적의 해석조건을 정의할 수 있다.

Micro Strip Filter 해석을 위해서Template 에서 Planar Filter를선택하였다.

Planar Filter 에적합하도록 설정된해석 조건을 보여준다.

12 가지 Templates1. Antenna (in Free Space, planar)2. Antenna (in Free Space, waveguide)3. Antenna (on planar substrate)4. Antenna (with ground plane)5. Connector (coaxial)6. Connector (multipin)7. EMC-EMI Problem8. IC Package9. Planar Coupler (Microstrip coplanar)10. Planar Filter11. Waveguide Coupler12 .Waveguide Filter


Microstrip Filter 모델링 순서

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)


Model the Structure (1)

2. Brick 을 마우스로 클릭하고 X,Y 길이가 4, Z 길이가 0.2인 Substrate 를 모델링 할 수있다. 4. Substrate 완성.

1. MWS에서 Tool Bar 에 있는 아이콘을이용하여 브릭 , 구, 실린더, 타원형 실린더, 원뿔, 임의의 3차원 모양 등을 모델링 하는것이 가능하다.

유전율이 12.9인 Substrate를 그려본다

3. 재질의 유전율은 12.9로 설정한다.


Model the Structure (2)패턴의 50 Ohm 라인을 그려보자.

1. 라인의 중점 선택 2. 로컬 좌표계

3. 패턴 50 Ohm 라인의 U,V,W 좌표를입력하고 재질은 PEC(메탈)로 설정한다.

4. 패턴의 50 Ohm 라인이 완성되었다

1.과 같이 Pick Edge Center(단축키 M)를 선택하면 클릭할 수 있는 모든 라인이 노란색으로 된다, 이때, 로컬 좌표계를 이동시킬 라인을 클릭하면 클릭한 라인의 중점이 로컬좌표계의 원점이다. 2. 번과 같이 로컬 좌표계를 선택하면 선택한 중심점이 로컬좌표계(U,V,W)의 원점으로 된다.3.번에서는 패턴 50 Ohm 라인의 U,V,W 좌표를 입력하고 재질을 설정하면 4번과 같은 그림이 완성된다.


Model the Structure (3)패턴의 첫번째 Stub 를 그려보자. Stub 는 3개로 구성되어 있다.

1. Pick Edge Center (M) 를클릭하고 그림과 같이 50Ohm 라인의 끝 단을 클릭한다.

2. 로컬좌표계 이동키를 누르면 선택한 라인의 중점이로컬 좌표계의 원점 이 된다.

3. Stub 의 U,V,W 좌표를 입력하고재질은 PEC(완전도체) 로 설정한다.

4. 완성된 첫번째 Stub


Model the Structure (4)2번째 Stub를 모델링 하여 보자.

2. 그림과 같이 V 방향으로 2.7 mm 떨어진곳에 Stub 를 한 개 더 모델링 할 수 있다.Copy object에 체크(v)하고 Translationvector에 2.7 입력. Copy Object에 체크하지 않으면 move의 기능이 실행된다.

1.모델링 된 개체를 선택하고 마우스 우측버튼을누르면 Transform 명령을 선택할 수 있다.

3. 2번째 완성된 Stub.



Transform 명령을 실행하여 V 방향으로 1.3 mm 떨어진 곳에 Stub 한 개를 복사 한다.


2. Translation vector V에 2.7 입력. Copy Object에 체크하지 않으면 move의기능이 실행된다.

3. 3번째 완성된 Stub

3번째 Stub를 모델링 하여 보자.



Transform 명령을 실행하여 V 방향으로 3.55 mm 떨어진 곳에 50 Ohm 라인을 복사 한다.


2. Translation vector V에 3.55 입력한다.

3. 완성된 50 Ohm 라인.

50 Ohm 라인을 모델링 한다.



Pick Face(F)

1. Extrude 명령은 임의의 단면을 확장 할 수 있다. Pick Face 명령을 선택한 후에 선택할 면을 클릭하면

빨간 점들로 선택한 면이 표시된다.

가운데 Srub는 길이가 V 방향으로 0.1 mm 길기때문에 Pick Face(F) 명령을 이용하여 길이를 늘려줄 수 있다.

2. Extrude 명령을 선택하고 Height를0.1을 입력한다. 재질은 pec로 설정한다.

3. 확장된 Stub 완성.


Model the Structure (8)이제 Strip Line을 그려보자.

1. 로컬 좌표계는 이동할 필요가 없다

2. Strip Line 의 좌표값을 입력한다.

3. 완성된 Strip Line. 모든 모델링 작업은 완성되었다.


Define Units, Background Properties1. Units 를 설정한다.mm, GHz, ns 로 설정.

2. Background properties는 Vacuum 으로(Layer Type : Normal Epsilon 1) 설정하고, Upper Z distance는 1로 설정하여 Z max 방향으로 전체 해석 영역을늘려준다.

Background properties의 재질은 Vacuum 으로 설정하면 전체 해석영역 중에서재질이 정의되지 않은 곳은 모두 Vacuum 으로 인식하게 된다.

Upper Z distance 를 늘리는 것은 패턴 위쪽으로 필드가 발생하고 파워가 전달되므로 해석영역을 늘려주어야 한다.

Z max 의 경계조건을 Open으로 설정하고 Background properties는 Vacuum으로 설정하여 모든 조건은 실제로 같은 조건으로 설정을 하여야 가장 정확한해석을 할 수 있다. Working Plane에서 우측 마우스 버튼을 늘리고, draw box를선택하면 전체해석영역을 확인 할 수 있다.


Define Frequency Range, Boundary Condition

1. Frequency Range를 선택한다.0 GHz – 18 GHz

2. Boundary Condition 을 정의한다.Substrate 아래는 Ground Plane을 모델링하고 재질을PEC(완전도체)로 정의하여야 하지만, 경계조건 정의에서Electric(Et=0)으로 설정하면 PEC가 있는 면으로 설정된다. 그러므로 Ground Plane을 별도로 모델링 하지 않고경계조건에서 Z min을 Electric 으로 설정하면 된다.


Define Port

1. 포트로 설정하고자 하는 면을Pick Face(F)를 이용하여 선택한다

CST MWS는 Waveguide Port 이외에도Discrete Port, PlaneWave, R,L,C, Diode 를모두 인가할 수 있다. 여기서는 Waveguide Port 를 인가하여 보자.

2. Port를 설정하기 위하여Waveguide Port 아이콘을선택한다.

3. Full plane을 선택한다. 포트크기를 조절하기 위해서는 Free를

선택하고 포트 크기를 조절할 수 있다.

4. 좌측 면의 포트 설정이 완료된 후에우측 면도 같은 방법으로 포트를 설정한다.

Note) Waveguide 포트 설정시 권장되는 포트의 크기 : 아래로는 Ground 면까지, 위로는 기판 높이의 3배가량, 양 옆쪽으로는 선로폭의 2-3배 정도면 적당하다. 한쪽 면 전체를 포트로 설정해도 된다. 여기서는 한쪽면을 모두 포트로 설정하기로 한다. 해석결과에서 포트모드를 보았을때 형성된 필드가 포트크기 안에서 모두설정되었다면 포트크기는 충분하게 넓혀진 것이다.


Transient Solver Start

모든 해석조건이 설정되었으며 Transient Solver 에서 Start Solver 클릭하면 해석이시작된다. Accuracy 는 대개 -30dB 로 설정되며, Time signal은 Gaussain 형태로입사된다. 원하는 임의의 파형을 인가하고 싶은 경우에는 User defined을 이용하여인가할 수 있다.

S Parameter가 symmetric 하게 계산되는 set이 있는 경우에는 S-parameter list에서동일한 set 으로 설정하여 해석시간을 단축할 수 있다.

S parameter setting에서 50 Ohms으로 Normalized 하여 해석하면 포트임피던스를50 Ohms으로 Normalized하여 S parameter등의 계산에 이용한다.


1D Results

1. Time Signals 2. S11 in dB

3. Smith Chart 4. Energy Balance

1 D Results 폴더에서 결과를 확인 할 수 있다.


2D, 3D Results

포트에서의 임피던스, E,H 필드의 별도의 설정 없이도 해석결과를 보여준다.그렇지만 다른 2D, 3D 해석결과를 보기위해서는 모니터 기능 ( ) 을 이용하여 미리 지정된

주파수와 시간영역에서 필드 값을 보아야 한다.모니터 지정은 Solver를 Start 하기 전에 설정해 두어야 한다.해석 후에는 2D/3D Results 폴더에서 E Field, H Field, Power Flow, FarField/RCS 계산 값을

3D로 볼 수 있다. 특정 주파수에서 Phase 변화에 따른 필드분포를 볼 수 있으며, 시간에 흐름에 따라 필드분포를 볼

수 있다. 필드 플롯형태는 3D, 2D cut plane이며 contour, carpet 등의 형태로 볼 수 있다. 필드를 보고 싶은 단면과 축을 마우스로 지정하여 매우 쉽게 보고 싶은 지점의 필드를 볼 수 있다 .

(Animation file 를 쉽게 만들고 저장하는 것도 가능 하다.)

Ex) 12 GHz, Phase : 270 에서의 E 필드 분포도Monitor (모니터) 설정화면

Overlay Plot

Monitor 아이콘


기판의 유전율을 Parameter로 설정하여Parameter Sweeping 을 수행한 예제

Substrate의 유전율 값을 a 라는설정하여 a의 값을 변경하면서결과가 어떻게 되는지 보고자한다.


Parameter sweeping (1)

1) Edit -> Parameters 에서 Parameter List를 입력한다.

임의의 구조, 길이, 재질 등을 변수화 하여 Parameter sweeping, 최적화 에 사용할 수 있다.

1.



유전율 상수를 변화시키면서 해석 결과를 비교해 봅시다.2) a라는 변수를 12.9 로 지정한다.3) Substrate의 Epsilon값을 12.9 가 아닌 a 로 지정한다.

2. 3.



4) Solver start 창에서 Par. Sweep.. 메뉴를 선택한다.

4.



Substrate의 유전율 값을 5, 12.5, 20 으로3가지인 경우에 대해 S parameter 해석결과가어떻게 되는지를 해석해보기로 한다.

5) New Seq. 선택. New Par.. 를 순차적으로 선택6), a 로 설정된 파라미터 범위와 Samples 개수

선택. ( 5, 20, 3) 으로 설정7) 어떤 결과를 플롯 할 것인지 선택. ( S11 in dB)

5. 6.

7.



8) 좌측 하단에 Tables 폴더가 생기고 Parameter Sweeping 결과를 볼 수 있다.


Stub 길이를 Parameter로 설정하여Parameter Sweeping 을 수행한 예제

중심축

“Length” 라는 이름으로Parameter 를 지정한다.중심축을 기준으로 좌우길이가Parameter 로 설정된다.

“Length”

“Length”

“Length”



1) Edit -> Parameters 에서 Parameter List를 입력한다.

임의의 구조, 길이, 재질 등을 변수화 하여 Parameter sweeping, 최적화 에 사용할 수 있다.

1.



Stub의 길이를 변경하면서 결과를 비교해 봅시다.

2) Length 라는 변수를 2 로 지정한다.3) Brick의 길이를 변수를 이용하여 설정한다. 그림처럼

Parameter를 지정을 하면 중심축을 기준으로 Stub 의U 방향 길이가 변경된다. Umin을 0, Umax를 Length/4로 지정한 경우 와는 지금의 설정은 다른 해석결과를얻게 된다.

2. 3.



4) Solver start 창에서 Par. Sweep.. 메뉴를 선택한다.

4.


Parameter sweeping (4)5. 6.

7.

Length 라는 변수가 1, 2, 3 인 3가지인 경우에대해 S parameter 해석결과가 어떻게 오는지에대해서 결과를 확인해 보기로 한다.

5) New Seq. 선택. New Par.. 를 순차적으로 선택6) a 로 설정된 파라미터 범위와 Samples 개수

선택. ( 1, 3, 3) 으로 설정7) 어떤 결과를 플롯 할 것인지 선택. ( S11 in dB)



8) Parameter Sweeping 작업이 수행되면서 Parameter 가 변경되는 것을 해석 중에 확인할 수 있다.

Length =1 Length = 3Length = 2



9) 좌측 하단에 Tables 폴더가 생기고 Parameter Sweeping 결과를 볼 수 있다.

Documents

Parameter sweeping Tutorial - cst-korea.co.kr · 1 •Nov-03 CST MICROWAVE STUDIO 를이용한Microstrip 필터의 Parameter sweeping Tutorial Computer Simulation Technology