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應(yīng)對復(fù)雜電磁環(huán)境仿真的挑戰(zhàn):CST Studio Suite 的深度分析

發(fā)布者:凱思軟件發(fā)布日期:2025-04-30瀏覽量:

1、復(fù)雜電磁環(huán)境中準(zhǔn)確仿真的重要性


隨著信息革命推動電子系統(tǒng)的日益復(fù)雜化,多功能組件的尺寸不斷縮小,電路、封裝和系統(tǒng)層面的復(fù)雜性也隨之增加。更高的集成電路速度、數(shù)據(jù)速率和更密集的配置加劇了與電源完整性、信號完整性和電磁兼容性/干擾(EMC/EMI)相關(guān)的問題。這種日益增加的復(fù)雜性,加上電磁頻譜的日益擁擠,凸顯了仿真這些復(fù)雜條件的重要性。例如,現(xiàn)代戰(zhàn)場呈現(xiàn)出一個(gè)高度復(fù)雜的電磁環(huán)境,使得在這種條件下準(zhǔn)確仿真系統(tǒng)性能成為國防和航空航天工程的關(guān)鍵方面。


CST Studio Suite 作為領(lǐng)先的高性能 3D 電磁分析軟件包,提供了一套全面的工具,旨在應(yīng)對復(fù)雜電磁環(huán)境仿真的多方面挑戰(zhàn)。其集成的設(shè)計(jì)環(huán)境和多樣化的求解器模塊為工程師和研究人員提供了建模、仿真和分析整個(gè)頻譜范圍內(nèi)電磁現(xiàn)象的能力。凱思軟件工程公司作為國內(nèi)領(lǐng)先的電磁仿真解決方案提供商,不僅深度整合CST等國際工具,更針對中國用戶的特殊需求提供定制化開發(fā)與技術(shù)支持,助力用戶高效應(yīng)對仿真挑戰(zhàn)。結(jié)合凱思軟件CST studio suite的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),本文將深入分析 CST Studio Suite 的技術(shù)和方法,以準(zhǔn)確應(yīng)對復(fù)雜電磁環(huán)境仿真的挑戰(zhàn)。

2、復(fù)雜電磁環(huán)境仿真的關(guān)鍵挑戰(zhàn)

仿真復(fù)雜電磁環(huán)境面臨諸多挑戰(zhàn)。隨著網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性的增加,其特征是更小的尺寸和更高的工作頻率,導(dǎo)致電源完整性、信號完整性和 EMC/EMI 問題的加劇。電磁仿真對于解決這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)至關(guān)重要,但其本質(zhì)上是資源密集型的,通常需要將整體設(shè)計(jì)分割成較小的部分進(jìn)行分析,這可能會引入設(shè)計(jì)周期的風(fēng)險(xiǎn)。連接器的加入進(jìn)一步增加了分析的復(fù)雜性,因?yàn)楦哳l效應(yīng)的影響。傳統(tǒng)的工程工作流程通常涉及跨多個(gè)軟件工具的設(shè)計(jì)和仿真,每個(gè)工具都有不同的用戶界面和產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫,從而增加了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的可能性,并使設(shè)計(jì)變更的追溯成為主要挑戰(zhàn)。


無線和異構(gòu)連接需求的增加要求強(qiáng)大的電磁仿真,以防止設(shè)備之間的干擾。對于先進(jìn)武器的電磁頻譜建模和仿真尤其具有挑戰(zhàn)性,因?yàn)檫@些武器依賴于復(fù)雜的電磁攻擊和反擊能力,從而創(chuàng)建了一個(gè)極其混亂和復(fù)雜的電磁環(huán)境。當(dāng)前的計(jì)算建模和仿真工作必須在合理的時(shí)間范圍內(nèi)有效應(yīng)對環(huán)境的非線性、規(guī)模和復(fù)雜性,提供對資源可變性和任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)決策具有認(rèn)知意義的結(jié)果。


例如,在汽車行業(yè),設(shè)計(jì)師和工程師面臨著為天線找到最佳位置的挑戰(zhàn),同時(shí)還需要考慮電磁干擾、機(jī)械約束、計(jì)算流體動力學(xué)和造型問題。車輛中日益增加的連接需求使得在設(shè)計(jì)過程的早期解決這些復(fù)雜性變得至關(guān)重要。此外,必須仔細(xì)控制共安裝系統(tǒng)之間的干擾,以避免一個(gè)天線的輻射場干擾其他基于天線的系統(tǒng)。安全方面的問題也源于高功率發(fā)射天線在周圍區(qū)域產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場,可能危及人員、彈藥和燃料。準(zhǔn)確仿真這些多樣化的場景需要能夠處理大規(guī)模、多尺度和高頻效應(yīng)的復(fù)雜工具。

3、CST Studio Suite 用于電磁仿真的核心技術(shù)和方法

3.1. CST Studio Suite 的集成設(shè)計(jì)環(huán)境和求解器模塊概述

CST Studio Suite 是一套全面的電磁仿真軟件模塊,集成在一個(gè)直觀的用戶界面中。這種集成環(huán)境簡化了設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化電磁組件和系統(tǒng)的工作流程,覆蓋了從靜態(tài)到光學(xué)的廣泛頻率范圍。該套件中的關(guān)鍵模塊包括:CST Microwave StudioCST MWS),專注于高頻組件的 3D 電磁仿真;CST EM Studio,用于靜態(tài)和低頻設(shè)備仿真;CST Particle Studio,用于分析三維電磁場中的帶電粒子動力學(xué);CST Cable Studio,用于電纜束的信號完整性和 EMC/EMI 分析;CST PCB Studio,專注于印刷電路板的信號和電源完整性以及 EMC/EMI 分析;以及 CST MPhysics Studio,用于分析電磁場的熱和機(jī)械效應(yīng)。

圖1 CST高頻時(shí)域分析


圖2 CST多物理場分析


CST Studio Suite 的核心是其多樣化的求解器模塊,每個(gè)模塊都采用不同的數(shù)值方法,針對特定的電磁問題進(jìn)行優(yōu)化。這些方法包括有限元法(FEM)、有限積分技術(shù)(FIT)、傳輸線矩陣(TLM)法、矩量法(MoM)、多級快速多極子法(MLFMM)和邊界射線追蹤法(SBR)。這種完整技術(shù)方法使用戶能夠?yàn)槠涮囟☉?yīng)用選擇最合適的求解器,甚至可以在同一界面中使用不同方法交叉驗(yàn)證仿真結(jié)果。

3.2. 準(zhǔn)確性、速度和易用性的重視

CST Studio Suite 的開發(fā)遵循三個(gè)核心原則:準(zhǔn)確性、速度和易用性。該軟件經(jīng)過持續(xù)開發(fā),其求解器經(jīng)過數(shù)十年的研究,以確保電磁場的計(jì)算既準(zhǔn)確又高效。為了增強(qiáng)易用性,CST Studio Suite 具有用戶友好的界面,采用面向工作流程的帶狀 GUI,以及全面的導(dǎo)入和導(dǎo)出工具,便于與各種 CAD EDA 設(shè)計(jì)流程無縫集成。此外,系統(tǒng)組裝和建模(SAM)的引入簡化了復(fù)雜仿真項(xiàng)目的管理,使工程師能夠直觀地構(gòu)建電磁系統(tǒng)并管理復(fù)雜的仿真工作流程。這種對準(zhǔn)確性、速度和易用性的重視反映了為用戶和應(yīng)用程序提供強(qiáng)大且易于使用的仿真工具的承諾。

4、CST 中用于解決電磁問題的關(guān)鍵算法的深入分析

4.1. 有限元法(FEM)

有限元法(FEM)是 CST Studio Suite 中用于分析電磁問題的通用數(shù)值技術(shù),主要在頻域求解器中使用。它在頻域中運(yùn)行,假設(shè)時(shí)間諧波場,求解麥克斯韋方程。FEM 特別適用于涉及小型到中型模型、諧振結(jié)構(gòu)和多端口系統(tǒng)(如連接器和陣列)的高頻應(yīng)用。為了準(zhǔn)確建模復(fù)雜幾何形狀,CST 在其 FEM 求解器中使用自適應(yīng)四面體網(wǎng)格劃分,在電磁場快速變化的區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格。此外,使用高階元素(包括彎曲四面體)提高了求解的準(zhǔn)確性。對于模擬高諧振、無損耗結(jié)構(gòu)(如濾波器),頻域求解器結(jié)合了模型降階(MOR)功能,顯著加速了 S 參數(shù)的計(jì)算。這使得 FEM 成為對復(fù)雜電磁組件進(jìn)行詳細(xì)頻率分析的強(qiáng)大工具。

4.2. 有限差分時(shí)域法(FDTD)

有限差分時(shí)域法(FDTD)是一種廣泛應(yīng)用于復(fù)雜介質(zhì)中電磁場全波分析的時(shí)域技術(shù),在 CST Studio Suite 中通過時(shí)域求解器實(shí)現(xiàn)。該方法通過在交錯(cuò)網(wǎng)格(稱為 Yee 網(wǎng)格)上離散空間和時(shí)間,求解時(shí)域形式的麥克斯韋方程。在 CST Studio Suite 中,時(shí)域求解器包括有限積分技術(shù)(FIT)和傳輸線矩陣(TLM)法。FDTD 非常靈活,特別適用于寬帶仿真、分析瞬態(tài)效應(yīng)(如靜電放電和雷擊)以及模擬復(fù)雜的 3D 電子設(shè)備。它適用于中型到大型模型和具有復(fù)雜細(xì)節(jié)的應(yīng)用程序。CST FDTD 的一個(gè)關(guān)鍵增強(qiáng)功能是完美邊界近似(PBA),它允許在立方網(wǎng)格單元內(nèi)對彎曲表面進(jìn)行非常好的近似,克服了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的傳統(tǒng)限制。

4.3. 矩量法(MoM)

矩量法(MoM)是 CST Studio Suite 中用于分析電大尺寸結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大 3D 全波求解器。它基于矩量法技術(shù),通常與多級快速多極子法(MLFMM)結(jié)合使用,以加速特別大模型的計(jì)算,而不會顯著損失準(zhǔn)確性。MoM 是一種表面積分技術(shù),與全體積方法(如 FEM FDTD)相比,在模擬具有大量空白空間的模型時(shí)效率更高,例如在天線安裝性能分析和散射問題中。CST Studio Suite 還包括一個(gè)專門的多層求解器,基于 MoM 技術(shù),優(yōu)化用于模擬平面微波結(jié)構(gòu)(如 MMIC、饋電網(wǎng)絡(luò)和平面天線)。積分方程求解器(MoM MLFMM)和多層求解器都包括特征模式分析(CMA)功能,用于計(jì)算結(jié)構(gòu)支持的自然諧振模式。

4.4. 其他相關(guān)求解器

CST Studio Suite 提供了一套全面的其他專用求解器,以應(yīng)對廣泛的電磁問題。基于射線追蹤技術(shù)(如邊界射線追蹤法)的漸近求解器特別適用于分析極大型結(jié)構(gòu),其中不需要全波求解。特征模求解器用于計(jì)算封閉結(jié)構(gòu)(如腔體和濾波器)的諧振頻率和相應(yīng)的電磁場模式。對于涉及不同尺度或需要不同求解器強(qiáng)度的復(fù)雜仿真,混合求解器任務(wù)允許用戶鏈接和組合時(shí)域、頻域、積分方程和漸近求解器。此外,CST 提供了一套用于分析靜態(tài)和低頻應(yīng)用的低頻求解器,包括靜電、靜磁、穩(wěn)態(tài)電流、低頻頻域和低頻時(shí)域求解器。對于分析電磁場與自由移動電荷的相互作用,CST 提供了專門的粒子求解器。最后,對于電磁場與其他物理現(xiàn)象相互作用的場景,CST 提供了能夠處理電磁、熱和機(jī)械耦合仿真的多物理場求解器。

5探索 CST 中復(fù)雜幾何形狀和材料屬性的建模能力

5.1. 表示復(fù)雜幾何形狀的技術(shù)

CST Studio Suite 具有強(qiáng)大且完全參數(shù)化的 CAD 界面,為用戶提供了一個(gè)直觀的環(huán)境來構(gòu)建和編輯復(fù)雜的仿真模型。該軟件支持從各種 CAD 和電子設(shè)計(jì)自動化(EDA)軟件包無縫導(dǎo)入和導(dǎo)出模型。值得注意的是,CST SOLIDWORKS 提供了完全參數(shù)化的雙向鏈接,允許在任一軟件中進(jìn)行的更改直接反映在另一個(gè)軟件中,從而簡化了設(shè)計(jì)和仿真工作流程。為了在六面體網(wǎng)格上準(zhǔn)確表示復(fù)雜的曲面,CST 使用了其專有的完美邊界近似(PBA)技術(shù)。此外,為了簡化復(fù)雜模型并聚焦于特定區(qū)域,CST 提供了填充周圍空間分離形狀等工具。這些功能共同提供了一套強(qiáng)大的能力,用于處理現(xiàn)實(shí)世界電磁環(huán)境仿真中常見的復(fù)雜幾何形狀。

5.2. 準(zhǔn)確建模多樣化的材料屬性

準(zhǔn)確仿真電磁環(huán)境需要精確表示材料屬性。CST Studio Suite 通過包含一個(gè)全面的材料模型庫來滿足這一需求,該庫能夠模擬廣泛的電磁現(xiàn)象,包括與磁學(xué)、光子學(xué)和生物物理學(xué)相關(guān)的效應(yīng)。該軟件支持各種材料類型,包括線性、非線性、頻率依賴性和溫度依賴性材料,從而能夠準(zhǔn)確建模復(fù)雜的材料行為。對于涉及人體的應(yīng)用,特別是在醫(yī)療和生命科學(xué)領(lǐng)域,CST 包括基于體素和 CAD 的人體模型,具有詳細(xì)的內(nèi)部分結(jié)構(gòu)和現(xiàn)實(shí)的電磁和熱屬性,便于準(zhǔn)確分析設(shè)備性能和安全。用戶還可以靈活地定義新材料,并輸入特定的材料參數(shù),如介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率,既可以作為固定值,也可以使用公式表示頻率依賴性屬性。

6、使用 CST 克服復(fù)雜電磁環(huán)境仿真挑戰(zhàn)的詳細(xì)步驟

6.1. 處理大規(guī)模問題

CST Studio Suite 中應(yīng)對大規(guī)模電磁仿真涉及戰(zhàn)略性地選擇求解器并利用高性能計(jì)算資源。對于電大尺寸結(jié)構(gòu),其中物理尺寸為多個(gè)波長,漸近求解器和積分方程求解器(MoM MLFMM)特別有效,因?yàn)樗鼈兊挠?jì)算效率高于體積方法。CST Studio Suite 還通過多線程支持高性能計(jì)算(HPC),允許仿真利用工作站上的多個(gè) CPU 核心。此外,它支持某些求解器的 GPU 加速,顯著減少了非常大規(guī)模模型的仿真時(shí)間。對于更大的計(jì)算能力,CST 提供了云計(jì)算選項(xiàng),允許用戶利用云的可擴(kuò)展資源來加速仿真,特別是在持續(xù)和突發(fā)計(jì)算需求的情況下。

6.2. 應(yīng)對多尺度結(jié)構(gòu)

CST Studio Suite 中,使用混合求解器任務(wù)可以高效地處理具有多個(gè)長度尺度特征的結(jié)構(gòu)。這一強(qiáng)大功能允許工程師在單個(gè)仿真項(xiàng)目中鏈接不同的求解器,例如用于精細(xì)細(xì)節(jié)的時(shí)域求解器和用于大型結(jié)構(gòu)的積分方程求解器。這允許為仿真域的不同部分優(yōu)化網(wǎng)格劃分和求解器設(shè)置,從而提高準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。例如,模擬安裝在大型飛機(jī)上的小天線可以通過使用時(shí)域求解器分析天線,并使用積分方程求解器分析飛機(jī)結(jié)構(gòu),通過混合求解器任務(wù)鏈接來實(shí)現(xiàn)。

6.3. 管理高頻效應(yīng)

CST Studio Suite 提供了一系列專門的求解器和技術(shù),用于準(zhǔn)確管理高頻電磁效應(yīng)。時(shí)域求解器(通過其 FIT TLM 實(shí)現(xiàn))非常適合寬帶和瞬態(tài)高頻分析,而頻域求解器(FEM)則適用于分析諧振結(jié)構(gòu)和窄帶高頻應(yīng)用。在高頻下,適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分策略至關(guān)重要,CST 提供了自適應(yīng)網(wǎng)格劃分功能,可以在高場梯度區(qū)域自動細(xì)化網(wǎng)格,確保準(zhǔn)確的結(jié)果。完美邊界近似(PBA)進(jìn)一步幫助準(zhǔn)確建模彎曲幾何形狀,這是高頻應(yīng)用中的常見問題,通過在六面體網(wǎng)格上提供精確表示。

6.4. 優(yōu)化技術(shù)

CST Studio Suite 集成了全面的局部和全局優(yōu)化算法,使工程師能夠自動改進(jìn)在復(fù)雜電磁環(huán)境中運(yùn)行的設(shè)計(jì)性能。這些優(yōu)化器可以與所有求解器一起使用,以優(yōu)化模型的任何設(shè)計(jì)參數(shù),如幾何尺寸或材料屬性??捎玫奶囟▋?yōu)化算法包括協(xié)方差矩陣適應(yīng)進(jìn)化策略(CMA-ES)、信任區(qū)域框架(TRF)、遺傳算法、粒子群優(yōu)化、Nelder Mead 單純形算法和插值擬牛頓法。通過參數(shù)化仿真模型,工程師可以進(jìn)行設(shè)備行為的研究,并利用這些優(yōu)化例程實(shí)現(xiàn)所需的性能目標(biāo)。

7、展示 CST的有效性:復(fù)雜電磁環(huán)境中的案例研究和應(yīng)用說明

CST Studio Suite 已在各個(gè)行業(yè)廣泛采用,以應(yīng)對復(fù)雜電磁環(huán)境仿真的挑戰(zhàn)。在航空航天領(lǐng)域,它用于分析飛機(jī)上安裝的天線性能、評估 EMI 屏蔽效能以及確定機(jī)身的雷達(dá)截面。汽車行業(yè)利用 CST 優(yōu)化車輛上的天線放置、分析電纜束的 EMC、模擬汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)以及開發(fā)車輛到一切(V2X)通信技術(shù)。在電信領(lǐng)域,CST 對于設(shè)計(jì)和優(yōu)化 5G 網(wǎng)絡(luò)的 MIMO 天線陣列至關(guān)重要,確保在密集信號環(huán)境中的最佳性能。醫(yī)療設(shè)備行業(yè)使用 CST 分析 MRI 系統(tǒng)的安全性、評估植入物與電磁場的相互作用以及設(shè)計(jì)可穿戴醫(yī)療設(shè)備。此外,CST 廣泛用于各種電子設(shè)備和系統(tǒng)的 EMC/EMI 分析,以確保符合法規(guī)并防止干擾問題。CST 中的系統(tǒng)組裝和建模(SAM)框架簡化了由多個(gè)單獨(dú)組件組成的整個(gè)設(shè)備的分析,使工程師能夠在復(fù)雜的系統(tǒng)級場景中模擬和優(yōu)化其性能。

8、CST 技術(shù)中的最新進(jìn)展和新功能,以提高復(fù)雜電磁環(huán)境仿真的準(zhǔn)確性

CST Studio Suite 不斷發(fā)展,最近推出了專門用于增強(qiáng)復(fù)雜電磁環(huán)境仿真準(zhǔn)確性和效率的新功能。最近的更新包括求解器技術(shù)的顯著改進(jìn),例如頻域求解器和域分解求解器的內(nèi)存效率和速度提升,特別有利于模擬大型天線陣列。MIMO 和相控天線陣列的設(shè)計(jì)工作流程得到了改進(jìn),新增了順序執(zhí)行的激勵(lì)列表和域分解功能。在 EMC 仿真領(lǐng)域,引入了新的向?qū)Ш晚?xiàng)目模板以簡化工作流程,同時(shí)改進(jìn)了頻域求解器的采樣方案和電纜仿真能力。在 EDA PCB 仿真方面,最近的進(jìn)展包括對 IPC-2581-C 的支持、改進(jìn)的 CAD 導(dǎo)入功能以及用于先進(jìn) PCB 的增強(qiáng)網(wǎng)格劃分算法。低頻仿真能力通過集成 Opera 靜磁求解器和改進(jìn)用于感應(yīng)無線充電應(yīng)用的 Litz 線建模得到了擴(kuò)展。熱和多物理場仿真也取得了進(jìn)展,CHT 求解器現(xiàn)在支持與溫度監(jiān)測器連接的時(shí)間變量氣流風(fēng)扇,并改進(jìn)了與 Abaqus 的結(jié)構(gòu)分析耦合工作流程。此外,CST Studio Suite 3DEXPERIENCE 平臺的緊密集成實(shí)現(xiàn)了跨不同團(tuán)隊(duì)和部門的高效協(xié)作,促進(jìn)了設(shè)計(jì)迭代和數(shù)據(jù)管理。增強(qiáng)的 Python 腳本功能允許對建模和后處理任務(wù)進(jìn)行更大的定制和自動化。

9、比較分析:CST Studio Suite 與其他領(lǐng)先電磁仿真軟件包的方法

Ansys HFSS Altair Feko 等其他領(lǐng)先電磁仿真軟件包相比,CST Studio Suite 的幾個(gè)關(guān)鍵差異和優(yōu)勢顯而易見。CST 通過在一個(gè)集成環(huán)境中提供一套全面的求解器而脫穎而出,使用戶能夠靈活選擇最適合其特定仿真需求的方法。雖然 HFSS 主要依賴有限元法,但 CST 提供了時(shí)域(FIT/TLM)、頻域(FEM)和積分方程(MoM/MLFMM)求解器等多種選擇。一些來源表明,HFSS 可能具有更快的 CPU 代碼,而 CST GPU 加速方面表現(xiàn)更好。在用戶界面和易用性方面,CST 通常被認(rèn)為比 HFSS 更友好,后者可能需要更多手動配置來完成某些任務(wù)。HFSS 傳統(tǒng)上以其在天線設(shè)計(jì)和高頻仿真中的準(zhǔn)確性而聞名。

Altair Feko 相比,后者在用于天線放置和大規(guī)模散射問題的矩量法方面表現(xiàn)強(qiáng)勁,CST 則強(qiáng)調(diào)在寬帶和瞬態(tài)分析中表現(xiàn)出色的時(shí)域求解器,使其在 EMC/EMI 研究中特別有吸引力。盡管 Feko 的界面專注于天線和 RCS 應(yīng)用,但 CST 提供了高度可視化的 CAD 集成體驗(yàn),這對跨多個(gè)學(xué)科工作的工程師非常有益。CST 的集成環(huán)境(所有求解器都在一個(gè)用戶界面中可用)與 Feko 的更為專業(yè)化的焦點(diǎn)形成對比。最終,選擇這些軟件包通常取決于具體的應(yīng)用需求、用戶對軟件的熟悉程度以及可用的計(jì)算資源。然而,CST Studio Suite 的多樣性、全面的求解器組合以及用戶友好的界面使其成為應(yīng)對各種復(fù)雜電磁環(huán)境仿真任務(wù)的有力競爭者。

表 1:CST 算法在不同仿真場景中的比較

算法

主要應(yīng)用領(lǐng)域

優(yōu)勢

局限性

典型問題規(guī)模

FEM

高頻通用、諧振結(jié)構(gòu)、多端口系統(tǒng)、3D 電子器件

適用于復(fù)雜幾何形狀、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、對窄帶問題的高準(zhǔn)確性、諧振結(jié)構(gòu)的模型降階(MOR

對非常大的問題可能計(jì)算密集,可能需要仔細(xì)設(shè)計(jì)網(wǎng)格

小型到中型

FDTD/FIT/TLM

寬帶仿真、瞬態(tài)效應(yīng)、3D 電子器件、EMC/EMI、天線設(shè)計(jì)

高效的寬帶分析、自然處理瞬態(tài)現(xiàn)象、PBA 用于準(zhǔn)確建模曲面、適用于多種應(yīng)用

對非常精細(xì)的網(wǎng)格和長時(shí)間仿真可能內(nèi)存密集,準(zhǔn)確性取決于網(wǎng)格分辨率(CFL 條件)

中型到大型

MoM/MLFMM

電大尺寸模型、天線安裝性能、散射分

對具有大量空白空間的大型結(jié)構(gòu)非常高效、精確的表面電流和遠(yuǎn)場輻射計(jì)算、MLFMM 加速大規(guī)模問題

對復(fù)雜非均勻材料不太適用,復(fù)雜幾何形狀的網(wǎng)格劃分可能具有挑戰(zhàn)性

大型到超大型

Asymptotic (SBR)

超大型結(jié)構(gòu)、天線放置、散射分析

對電大尺寸問題非常高效、基于射線追蹤、對大型域的計(jì)算成本低

對具有復(fù)雜近場相互作用或強(qiáng)衍射效應(yīng)的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性可能受限

超大型

Eigenmode

濾波器、腔體、超材料、周期性結(jié)構(gòu)、高 Q 值粒子加速腔

計(jì)算諧振頻率和場模式,用于分析振蕩模式

主要用于封閉或諧振結(jié)構(gòu),不直接模擬驅(qū)動響應(yīng)

小型到中型


表 2:CST Studio Suite 與 Ansys HFSS 和 Altair Feko 的比較

功能

CST Studio Suite

Ansys HFSS

Altair Feko

求解器

FIT、TLM(時(shí)域)、FEM(頻域)、MoM/MLFMM(積分方程)、SBR(漸近)、特征模、多物理場、粒子求解器

主要為 FEM(頻域)、瞬態(tài)求解器(時(shí)域)、積分方程求解器、特征模求解器

主要為 MoM,還包括 FEMFDTD、漸近求解器

優(yōu)勢

多種求解器集成于一個(gè)環(huán)境,用戶友好界面,在瞬態(tài)和寬帶分析中表現(xiàn)出色,某些情況下 GPU 加速優(yōu)秀,出色的 CAD 集成,全面的多物理場能力

高準(zhǔn)確性,尤其在天線設(shè)計(jì)和高頻組件中,與 Ansys Workbench 的強(qiáng)集成,便于多物理場耦合

MoM 中表現(xiàn)強(qiáng)勁,適用于天線放置和大規(guī)模散射問題,對電大尺寸問題高效,良好的混合求解器能力

局限性

選項(xiàng)過多可能令人困惑,某些求解器在特定應(yīng)用中可能不如其他工具專業(yè)

學(xué)習(xí)曲線較陡,許可復(fù)雜且成本高,對非常大或復(fù)雜幾何形狀的仿真時(shí)間可能較長

界面可能對所有用戶不夠直觀,腳本生態(tài)系統(tǒng)不如 HFSS 成熟,性能可能需要手動優(yōu)化

用戶界面

高度可視化,面向工作流程的帶狀 GUI,CAD 集成

作為 Ansys Workbench 的一部分,結(jié)構(gòu)化工作流程,對新用戶可能顯得僵硬

更專注于天線和 RCS 應(yīng)用的簡化界面

典型應(yīng)用

天線、微波組件、EMC/EMI、信號完整性、低頻器件、粒子動力學(xué)、多物理場

天線設(shè)計(jì)、微波電路、信號完整性、EMC/EMI、雷達(dá)截面

天線設(shè)計(jì)和放置、雷達(dá)截面、EMC/EMI、大規(guī)模散射、無線通信



10結(jié)論:利用 CST Studio Suite 的力量實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境的準(zhǔn)確高效仿真

CST Studio Suite 作為一個(gè)強(qiáng)大且多功能的工具,能夠準(zhǔn)確高效地仿真復(fù)雜電磁環(huán)境。其全面的求解器組合,涵蓋時(shí)域、頻域以及專門針對電大尺寸結(jié)構(gòu)和多尺度問題的技術(shù),使工程師和研究人員能夠應(yīng)對各種挑戰(zhàn)。該軟件強(qiáng)大的建模能力,包括參數(shù)化 CAD 界面、PBA 技術(shù)和廣泛的材料庫,確保了復(fù)雜幾何形狀和多樣化材料屬性的高保真表示。通過戰(zhàn)略性地選擇適當(dāng)?shù)那蠼馄?、利用高性能?jì)算資源并使用混合求解器任務(wù),用戶可以有效地解決大規(guī)模和多尺度的仿真問題。此外,CST 的高級網(wǎng)格劃分技術(shù)和專門的高頻求解器使得高頻效應(yīng)的準(zhǔn)確分析成為可能。集成的優(yōu)化工具允許系統(tǒng)化地探索設(shè)計(jì)和提升性能。在各個(gè)行業(yè)的眾多案例研究和應(yīng)用說明證明了 CST Studio Suite 在現(xiàn)實(shí)場景中的有效性。持續(xù)的進(jìn)步以及與 3DEXPERIENCE 平臺的集成進(jìn)一步鞏固了 CST 作為應(yīng)對電磁環(huán)境仿真復(fù)雜性的領(lǐng)先解決方案的地位,最終為電磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、性能和可靠性的提升做出了貢獻(xiàn)。


CST Studio Suite是電磁仿真的國際標(biāo)桿,而廣州凱思軟件工程公司作為其中國區(qū)戰(zhàn)略合作伙伴,通過技術(shù)增值與本地化服務(wù),幫助用戶精準(zhǔn)解決“卡脖子”問題。無論是合規(guī)性適配、性能優(yōu)化,還是跨學(xué)科協(xié)同,凱思軟件均能提供“軟件+咨詢+定制”的一站式解決方案,助力中國企業(yè)在復(fù)雜電磁環(huán)境仿真中搶占技術(shù)制高點(diǎn)。


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