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CST 电磁场仿真软件

    达索SIMULIA旗下的CST工作室套装是原德国CST公司结合多年的电磁算法研究和软件开发经验而研发出来的一款电磁仿真软件,为电磁场设计仿真提供了最精确和最高效的解决方案。CST工作室套装包含丰富的适用于仿真和优化各种设备问题的的多个软件工具,覆盖了从静场到光波的全频段。同时,它还具有热、结构应力和电路的分析以及联合仿真分析功能。

    CST工作室套装将所有工作室子软件集成到同一设计环境下,通过该统一设计环境可方便使用所有的求解技术。系统装配和建模(SAM)技术使得多物理场仿真和各类协同仿真变的更加便捷,同时也有利于对完整系统级的电磁仿真项目进行高效管理。

    CST工作室套装能够为产品提供重要的市场价值和优势,比如能够缩短产品研发周期,在物理实验前即开始虚拟样机研究,以及通过仿真优化产品设计来替代试验改进的方式等等。

    软件覆盖整个电磁频段,提供完备的时域和频域全波电磁算法和高频算法。典型应用包含各类天线/RCSEMCEDASI/PI/眼图、MRI/手机、电真空管/加速器/高功率微波、场-路、电磁-温度及温度-形变等各类协同仿真。

 

CST工作室套装

1、天线设计仿真

    得益于CST完整的软件模块和完备的技术能力,CST能够完成从天线设计到天线仿真优化的全过程,包括单天线仿真、阵列天线仿真优化、天线罩、天线装载性能及天线布局等等。

1.1天线设计

    Antenna Magus是全球第一款天线设计工具包,当前版本有超过300个天线设计模板。此外,Magus还包含常用天线设计工具、介质材料库和天线阵综合分析模块。所有天线、天线阵、馈电均为全参数化模型。只需输入天线和天线阵指标,便能在几分钟内得出满足指标的天线模型和天线阵分布。

 

 

1 Antenna Magus工作流程

 

1.2 天线仿真

    在CST微波工作室中包含各种全波和高频算法,其中适用于天线仿真应用的三个求解器分别是时域求解器、频域求解器、积分方程求解器和高频渐近求解器,包含的算法包括FITDTLMFEMMoMACA迭代MoMMLFMMPOSBR。按照它们能够仿真的电尺寸从小到大依次排列。分别是:<=1个波长:最佳采用MoM或者FEMFITDTLM也可用;1-100个波长:最佳采用FITDTLMMoM不可用。注:MLFMM可以使用,但要求没有复杂介质分布和腔体结构,所以是有限制条件的;50-100个波长的反射面天线最佳采用MLFMM也可以使用FITDTLM但仿真效率较低100-10000个波长:最佳采用POSBRFITDTLM100-200个波长尚可使用,超过后,则没有哪个全波算法可以胜任了,而只能采用高频算法了。

 

2 CST不同求解器适用的电尺寸

 

3 CST仿真天线罩对天线性能的影响

 

 

 

4相控阵和舰载天线布局仿真

 

2、RCS仿真解决方案

    CST提供业内最为完整的RCS解决方案,包括隐身材料仿真、天线和相控阵RCSFSS频选仿真(无限大平面、电大尺寸平面)、涂覆材料、平台外形隐身、电大超电大目标RCS等。

    CST在进行RCS仿真时,同样依托于其全面且强大的电磁算法,根据不同的问题类型选择相应的电磁算法,最主要的是其中的时域和高频算法。其中时域算法可覆盖电小直至500个波长的电大尺寸,在所有全波算法中能计算的电尺寸最大最快,适合进行各类天线、天线阵及新型复合隐身材料的RCS精确仿真,能够进行频选表面(FSS)贴附结构的RCS仿真,并能够进行瞬态和超宽带RCS的仿真。

 

5飞机瞬态RCS的仿真

 

 

6箔条云建模和RCS仿真

 

    针对超电大目标的RCS计算,主要采用CST微波工作室的高频渐进求解器(CST MWS-A)CST提供了三种高频渐进算法,按照精度从低到高依次为——物理光学PO、弹跳射线束SBR-Raytube和弹跳射线法SBR来完成各种超电大目标的单站和双站RCS计算。

    SBR是众多高频算法中最新发展起来的算法。它基于射线跟踪,外加物理光学和场强跟踪,对大量发自源的波前射线进行跟踪,不但能够对结构的外表面,更重要的是能够有效地对腔体凹结构的内表面进行跟踪。在场强跟踪中加上介质损耗、透射折射和反射修正,便能够对非金属结构进行散射分析。

    对于没有腔体的简单结构,精度要求不高时,则PO即可;而对于复杂目标,如航母、飞机等具有精细结构的目标,就需要使用弹跳射线束SBR-Raytube或弹跳射线法SBR来完成RCS仿真。

    CST的高频算法可对初始入射点、入射射线、反射射线以及与特定入射射线所引起的所有相应次数的反射射线进行灵活的可视化,如所 33示。

 

7 CST高频求解器的射线可视化

    用户可以指定显示哪条入射射线的包含1至第N次反射的射线,并可将这些入射和反射射线导出至文本文件,供用户做后续分析。

    对于不同入射方向,可以显示强散射点(也称为热点,Hot-spots),设计者可以在RCS曲线上找到RCS最大值,并显示该角度下的热点分布。 34中红色部分就是热点。再通过该入射角下的初始入射射线相应的N次反射射线的路径跟踪,推出造成该强散射点的强RCS结构,通过进一步修改此结构,达到降低RCS的优化目标。

 

高频求解器仿真中的热点分析 

 

9飞机距离像仿真 

 

    CST中通过专用宏可以快速完成海杂波的建模如下图所示

 

 

 

10舰船及海杂波RCS仿真建模 

 

11 舰船RCS仿真结果 

 

3、EMC仿真解决方案

    针对电磁兼容的四大类问题,即CECSRERSCST电磁仿真软件可构建非常适合于设备和系统级的EMC仿真平台。CECS预设计由CST设计工作室与CST PCB工作室协同完成,CST PCB工作室立足板图文件进行无源建模与仿真,可提取基于分布参数的无源电路模型并无缝进入CST设计工作室,形成无源block模型。CST设计工作室建立有源器件如二极管、三极管、晶闸管、IBIS等模型,并和无源block模型的逻辑链接,实现CECS仿真。

    RERS预设计由CST 微波工作室、CST PCB工作室、CST 线缆工作室及CST设计工作室协同完成。通常设备或分系统的电场辐射或耦合途径无外乎为外接(或互连)线缆束和机箱孔缝两种。对于外接(或互连)线缆束电磁辐射和辐照,由CST 微波工作室、CST 线缆工作室及CST设计工作室三者协同完成,对于机箱孔缝电磁辐射和辐照,由CST 微波工作室、CST PCB工作室及CST设计工作室。

    而所有上述工作室或者模块都是紧密集成在一起的,构成了CST电磁兼容工作室,专用于进行电磁兼容问题的仿真分析。

3.1  PCB板级电磁兼容仿真

    PCB板级EMC仿真主要包括传导发射和辐射发射等,CST印制板和微波工作室支持常见EDA格式的导入,鲁棒性高,在将平面PCB导入为三维结构时,能自动对PCB的三维结构问题(比如走线断裂、焊盘圆柱变成多边形棱柱等)进行修复,可以全版导入,也可以任意形式的局部导入。CST设计工作室支持各类SPICEIBISTouchstone各类器件模型的导入,可以和微波工作室无缝集成组合成完整的PCB仿真模型,包括所有的器件和三维印制板结构。

    使用CST的微波工作室结合设计工作室,可进行各类包含电路器件、三维PCB模型及金属外壳在内的CEREEMC仿真。

 

12 模块传导发射仿真 

 

3.2 机箱机柜屏效仿真

    用CST微波工作室使用时域算法六面体网格技术对机箱进行仿真,实际工程机箱导入后,无需任何修复,便可成功划分网格并仿真。CST采用独特的精简模型及嵌入式网格技术,并采用独特的Octree网格合并技术,在保证计算准确性的前提下,大大提高了计算速度。精简模型的本质是电路模型即将真实的物理模型转换成电路的级联从而避免进行精细的网格划分提高产品仿真效率。精简模型专用于快速精确仿真机箱上细小散热缝阵、通风孔阵、搭接、屏蔽封条、燕尾槽、电缆通孔、导电薄膜、导电橡胶、屏蔽丝网、多层复合材料、碳纤维板等的电磁泄漏辐射和电磁屏蔽等电磁兼容问题,全波求解并支持转移阻抗模型。

 

13 机箱上常见的孔缝等精细模型

 

14 机箱屏效仿真

3.3 线缆线束EMC仿真

    CST缆工作室可以仿真真实工况下由数十米长数十跟线缆组成的、多重捆扎的线束的电磁兼容问题,如线束串扰、线束辐射和线束感应噪声等。线缆载体可以为任意金属或介质结构,线缆可为单线、排线、屏蔽线、双绞线、屏蔽层、绝缘层及其它们的任意排列组合CST电缆工作室基于时域传输线法(TL)、边界元法(BEM)、时域FITDTLM算法的专业线缆级布线、电磁兼容仿真软件,可以对任意形式的线缆进行分布参数提取,针对真实工况下由各类线型构成的数十米长线束及周边环境进行SI/EMI/EMS分析,能够进行单和双向线束与磁场自洽相互作用场路协同仿真,解决线缆线束瞬态和稳态辐照和辐射双向问题。

 

15电缆串扰测试设置和仿真模型

 

16 电缆串扰仿真和测试对比

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