CST软件与程序算法对比

1、CS傲件与程序算法对比对于线缆空间电磁场电磁耦合计算的问题，可以有多种方法进行计算。如果要直接计算时域下的线缆激励响应，我们通常使用电磁仿真软件CST STUDIO SUITE行仿真，CST次件内置了多个子工作室，其中CST微波工作室与CST线缆工作室都可以进行该类问题的仿真，为了进一步了解两个工作室的计算原理，下面对两种工作室的算法进行简单的介绍，最后跟我们提出的时域混合算法FDTD-TLS行对比。1 .微波工作室微波工作室(Microwave Studio )的主要算法基础是有限积分法(Finite IntegrationTechnique, FIT)。该算法离散麦克斯韦方程组，用中心差分

2、代替时间导数，生成显示递推方 程，其时域标准形式与FDTD类似。FDTD或者FITD都是先在时域计算，用一个宽频谱的激励信号(方波或者高斯波都有) 去激励模型，在时域计算然后去反演到频域。系统的网络参数和场参数基本上是反演后的得 到的。特点是可以计算相当大的带宽结果，而不需要像用ansoft,可能要把大带宽分割后分别仿真。CST计算过程中，由于没有FEM计算过程中矩阵求逆过程，计算时间和网格数成线 性增长关系，而FEM的是指数增长关系。图1时域算法和频域算法对 CPU和内存需求的数学原理对于计算线缆问题，微波工作室将线缆同接地板、屏蔽腔等物体直接在空间中进行网格剖分，再通过有限积分法进行迭代计

3、算。对于集总元件所在的网格通过SPICE电路算法进行处理，最终得到集总元件上的电压以及电流响应。2 .线缆工作室线缆工彳室(Cable Studio)核心算法基于经典的传输线理论，将线缆和载体的几何特性 和材料特性转化为等效电路， 最终在电路仿真器中完成计算， 可以解决载体系统中互连线缆的辐射、耦合以及串扰问题。线缆工作室利用 3D 电磁场求解器计算从边界出发的入射波在线上形成的分布电压源（ 2D 边界元法 BEM） ， 而解析法分析认为入射场无损耗地加载在线缆上。 如果空间媒质分布复杂，两者的计算结果会表现出差异。线缆工作室算法局限性：1 、 基于经典的传输线理论， 只考虑 TEM 传播模式

4、， 所有生成的等效电路在 0-Fmax 范围 内是有效的。 Fmax 受捆扎线束的横截面的最大尺寸限制。2 、 TEM 传播模式意味着至少有两个承载导体 （形成往返回路） ， 通常 N 个导体有 （ N-1 ） 个传播模式，空间如果只有一根单线（裸线）而没有任何参考地（典型的如天线）除了直流以外的频域将无法准确生成模型。3 、 3D 线缆线束结构会由程序自动分割为有限个之弦断。对于不同的段通过2D 静态场求解生成不同的传输线参数。电缆终端和弯曲处引起的场效应不计入仿真。4、混合算法中的场耦合以及辐射敏感度分析忽略了由线缆自身电流产生的场又反过来对该电缆本身的电磁相互作用，这对特殊应用（如封闭盒

5、子内的电缆谐振）线缆工作室中建立可视化模型时，模型必然为有限大，而且计算机有限的硬件资源也只能处理有限大的实体。软件在计算线缆问题时必须定义一块金属，代表大地或是载体机壳。3. 时域混合算法FDTD-TLFDTD-TL算法的原理是：首先利用电磁仿真软件建立移除了传输线的设备屏蔽腔结构模型，导出生成 STL格式文件。利用传输线方程建立屏蔽腔内传输线的电磁耦合模型。然后，结合FDTD自动网格剖分技术，读取该STL格式文件，实现设备屏蔽腔结构的快速建模和网格剖分。通过FDTD方法对设备屏蔽腔结构进行全波模拟，计算得到传输线的激励场。在每一个FDTD时间步进中，将 FDTD计算得到的激励场引入到传输线

6、方程作为等效分布电压源和分布电流源。然后采用FDTD差分格式对传输线方程进行离散，从而迭代求解出传输线终端负载上的电压和电流响应。具体实现过程如图2 所示。府破腔建横传邛鬲FSTL的网格制分一立传方一kLHD力注获带传崎缱澈勘场 复二蟠后D差分用十圈融传输线方程娓接贪税上的蟒态画附图2 FDTD-TL算法的实现过程同样地，采用FDTD的差分格式对传输线进行离散，得到FDTD-TL算法的迭代公式。需要注意的是，虽然 FDTD-TL算法的迭代公式与式(3-8)和(3-9)相同，然而 FDTD-TL算法 在每一个时间步进上，将FDTD计算得到的传输线激励场引入到传输线方程，实现空间电磁场与传输线瞬态

7、响应的同步计算，具体的迭代步骤为：(1) 计算n时刻的传输线激励场 ET和E：,具体计算公式为：m省/ XEt (j, k,n 尸Ax Zeex(m, j, k,n& 又和 El ( j, k,nAt 尸eex ( 1 , j, k, nt)；mm 一 迭代n+1/2时刻的磁场Hn4V2 ；(3) 迭代n+1时刻的电场En卡；(4) 计算n+1时刻的传输线激励场 ET*和E1由；(5) 迭代n+1/2时刻的电流1n书2 ;(6) 迭代n+1时刻的电压U整理得到三种方法的原理对比如下表所示:仿真方法基本原理主要特点计算线缆问题的局限性微波工作室（时域）有限积分法1 .通用性较好，对 于任

8、意结构线缆 都能进行建模。2 .计算结果较为准确。1 .对精细线缆结构网格剖分量大，导致计算较慢。2 .负载电路建模不方便。3 .无法对无限大地面进行建模。线缆工作室（时域）有限积分法+传输线方法1 .提供常见线缆 的线缆库，方便建 模时使用。2 .能够方便地对 复杂负载电路进 行建模。1 .计算精度相对全波算法较低。2 .无法对无限大地面进行建模。时域混合算法时域有限差分法+传输线方法1 .通用性较好，程 序方便修改。2 .程序体积小，运 行占用内存小，计 算速度快。1.由于采用传输线等效模型， 计算精度受频率等因素影响 较大。算例1导电平面上单根电缆的核电磁脉冲耦合图3为电磁波照射导电平面

9、上单根电缆的电磁耦合模型，导电平面长宽均为2m,厚度为10cm,电缆长度 L=1m,高度h=10cm,半径r=5mm,电缆端接负载 Zi=50 Q, Z2=50Qi。入22射波为核电磁脉冲，波形表达式为 E0（t ）= E0 exp（Yn （t-卜）/t ）,其中E0 = 65kv/m , 4 =4M107s,，P=6M108 s工。电磁脉冲的入射角度为 日=180°,邛=90°,极化角度 为口 =1800。计算所取的空间步长为 dx = dy = dz = 0.05m,总的时间步为1200步。计算电缆终端负载上的瞬态响应如图4所示。图4三种方法计算得到负载上的感应电压曲线

10、算例2导电平面上单根电缆的高斯脉冲耦合图3为电磁波照射导电平面上单根电缆的电磁耦合模型，导电平面长宽均为2m,厚度为10cm,电缆长度 L=1m,高度h=2cm,半径r=2mm,电缆端接负载 Zi =50 Q, Z2=100 Qo入2 o射波为图斯脉冲，波形表达式为E0。)=E0exp(Yn(tt0 ) /),其中E0 =1000 V/m,e =4ns , t0 =08。电磁脉冲的入射角度为 1 = 1800,中= 900,极化角度为口 = 1800。计算所取的空间步长为 dx = dy = dz = 0.01m,总的时间步为 3000步。计算电缆终端负载上的瞬态响应如图 6所示。图5地面上单

11、根电缆的电磁耦合模型图6三种方法计算得到负载上的感应电压曲线算例3屏蔽腔体中的单导体传输线核电磁脉冲耦合图7为屏蔽腔体内单导体传输线的结构示意图，屏蔽腔体长度L,=60cm,宽度cWc =50cm ,高度 Hc = 40cm,腔体厚 t =5mm o 缝长 = 30cm ,宽度 ws = 2cm ,缝 的中心与腔体上面板中心的距离D = 15cm。单导体传输线长度 l = 50cm ,距腔底高度h =20mm ,间距d =20mm ,导线半径r =2mm。传输线端接负载为R = 58 ,22_R =100。入射波为核电磁脉冲，波形表达式为 Eo(t)=E0exp(Tn(t to ) /d),其

12、中 Eo =65kv/m , & =4父107 s, P =6父108 s。电磁脉冲的入射角度为1 =180° ,中=900,极化角度为 支=1800。利用FDTD-TL算法计算得到传输线端接负载上的电压响 应，并与CST MWS微波工作室)与CS饯缆工作室)中的计算结果进行对比。图8三种方法计算得到负载 R上的感应电压曲线算例4Lc = 60cm ,宽度屏蔽腔体中的多导体传输线高斯脉冲耦合图9为屏蔽腔体内单导体传输线的结构示意图，屏蔽腔体长度WC =50cm ,高度 Hc =40cm，腔体厚 t =5mm。缝长 1s = 30cm ,宽度 ws = 2cm ,缝的中心与腔体

13、上面板中心的距离D = 15cm。三根传输线的长度1 = 50cm ,距腔底高度h = 20mm，间距d = 20mm ,导线半径r = 2mm。传输线端接负载为 R1 = R3 = R5 =500 , 2 ,2、R =R4 =R6 =100C。入射波为图斯脉冲，波形表达式为E°（t产E0exp（4n（t10）/T ）, 其中E0 =1000V/m, E=2ns ,电磁脉冲的入射角度为 9 =180°,邛=900 ,极化角度为 a =1800。利用FDTD-TL算法计算得到传输线端接负载上的电压响应，并与CST MWS微波工作室）与CS线缆工作室）中的计算结果进行对比。图9屏蔽腔体中的多导体传输线图10三种方法计算得到负载 R上的感应电压曲线结论：经过调研以及仿