综合应用仿真流程

CST工作室套装综合应用|仿真流程CST工作室套装CST工作室套装是面向3D电磁、电路、温度和结构应力设计工程师的一款全面、精确、集成度极高的专业仿真软件包。包含八个工作室子软件，集成在同一用户界面内。可以为用户提供完整的系统级和部件级的数值仿真优化。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。典型应用包含电磁兼容、天线/RCS、高速互连SI/EMI/PI/眼图、手机、核磁共振、电真空管、粒子加速器、高功率微波、非线性光学、电气、场路、电磁-温度及温度-形变等各类协同仿真。CST设计环境™CSTDESIGNENVIRONMENT™CSTCSTPCBSTUDIOCST电缆工作室CSTCABLESTUDIOCST规则检查™CSTBOARDCHECK™CST微波工作室CSTMICROWAVESTUDIOCST电磁工作室CSTEMSTUDIOCST粒子工作室CSTPARTICLESTUDIOCST设计工作室™CSTDESIGN

是进入CST工作室套装的通道包含前后处理、优化器、材料库四大部分完成三维建模，CAD/EDA/CAE接口，支持各子软件间的协同，结果后处理和导出专业板级电磁兼容仿真软件，对印制板的SI/PI/IR-Drop/眼图/去耦电容进行仿真。与CSTMWS联合，可对印制板和机壳结构进行瞬态和稳态辐照和辐射双向问题专业线缆级电磁兼容仿真软件，可以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，解决线缆线束瞬态和稳态辐照和辐射双向问题印制板布线电磁兼容EMC和信号完整性SI规则检查软件，能对多层板中的信号线、地平面切割、电源平面分布、去耦电容分布、走线及过孔位置及分布进行快速检查系统级电磁兼容及通用高频无源器件仿真软件，应用包括：电磁兼容、天线/RCS高速互连SI、手机/MRI、滤波器等。可计算任意结构任意材料电大宽带的电磁问题（准）静电、（准）DC-100MHz主要应用于电真空器件、高功率微波管、粒子加速器、聚焦线圈、磁束缚、等离子体等自由带电粒子与电磁场自洽相互作用下相对论及非相对论运动的仿真分析系统级有源及无源电路路仿真，SAM总控，支持三维电磁场和电路的纯瞬态和频域协同仿真，用于DC直至100GHz的电路仿真CST多物理场工作室CSTMPHYSICSSTUDIO

瞬态及稳态温度场、结构应力形变仿真软件，主要应用于电磁损耗、粒子沉积损耗所引起的热以及热所引起的结构形变分析3汽车电磁仿真全面解决方案车载天线：AM/FM、GSM、CDMAGPSWiMAX、SDARS、轮胎气压监测系统、自动驾驶雷达等等均可以采用CSTMWS时域有限积分求解器或时域传输线矩阵求解器在整车真实环境下一并仿真。各类静场和低频设备：点火线圈、发电机、传感器等可以采用CSTEMS进行仿真，得出近场感应电磁场。PCB板：车载计算机、ECU、通信设备等均可以在CSTPCBS和CSTDS中协同仿真，得出PCB上电流的幅相分布。线缆线束：CAN总线、点火塞/点火线圈、ABS等等整车布线可在CSTCS和CSTDS中完成协同仿真得出线缆上电流的幅相分布。整车电磁兼容：在CSTMWS中导入以上PCB和线缆上电流分布，加上所有其他电磁设备，便得出整车全电磁兼容特性。CST中包含了整车电磁兼容问题仿真的所有求解器和工具，即CST工作室套装。4手机电磁仿真全面解决方案手机本体天线设计及仿真–AntennaMagus+CSTMWSAntennaMagus是一个拥有近225种天线及天馈的天线库，所有天线全参量化，能够在几分钟内快速得出天线增益、方向图、输入阻抗等指标。用户可以在Magus天线库中搜索基本满足要求的天线，然后快速设计优化；导出CST文件。CST读入该天线，加上其他结构：PCB板、扬声器、LCD屏、机壳等进行整机仿真。手机整机电磁仿真–CSTMWS天线本体设计结束后，需要进行手机整机仿真，给出以下电性能指标：S参数、驻波、方向图、增益、放大器PA匹配优化、扬声器-天线互耦、PA屏蔽罩屏蔽效能、手机谐振频率和模式、手机自电磁兼容问题分析等。手机模型导入后无需任何修复即可立即仿真。11minCSTMWS提供时域、频域场仿真，能够进行整机电磁仿真，支持GPU硬件加速；与CSTDS路仿真器无缝协同完成PA人头比吸收率SAR、助听器HAC、TRP、多天线系统TIS/DG11min天线本体辐射方向图19min整机CAD导入：STEP/IGES/ProE等19min内嵌CITA可调手指模型

整机+头+手时辐射天线方向图CSTDS：实现PA与天线的匹配

SAR：不同质量、频率、标准

HAC：电场磁场 5高速背板全链路信号完整性SI仿真流程通信中大量使用左图所示的高速交换系通信中大量使用左图所示的高速交换系统，它由高速光电模块CDR，通过安装在背板Backplane上的交换矩阵matrix实现在线板间的快速切换。对于这样大型复杂的传输通道，背板和连接器的信号完整性是保证信号可靠传输的关键。以下通过CSTMWS与CSTDS高速连接器对：采用CSTMWS时域求解器对高速多芯连接器进行宽带全波仿真，得出宽带S参数；再在CSTDS中搭建一对背靠背的这样的连接器，形成S参数级联网络，得出右边曲线所示的传输特性。红色为仿真结果，兰色为实测结果。最后，在CSTDS中搭建完整的交换器电路，输入PRBS伪随机码流，分析输出眼图，给出通道带宽和误码率信息。

插卡–连接器–背板-连接器-插卡：采用CSTMWS时域求解器对各段进行宽带全波仿真，得出各自的宽带S参数；再在CSTDS中将这些S参数级联成一个子通路，得出左边曲线所示的完整通路的传输特性。6高速连接器一站式仿真–S参数/串扰、TDR、眼图、EMI高速连接器广泛地应用于高速背板这样的高速互连中。一般高速连接器的数据率在5Gbps以上，考虑到上升沿的要求，仿真频率通常至少是速率的5倍，即至少仿真0到25GHz频带。本页所示为10片wafer组成的一个5Gbps共40对差分对的高速连接器。采用CST微波工作室时域求解器进行全波0-25GHz仿真，仅用时5小时34分钟，内存5.9GB，在单台含2块C2075GPU加速卡上完成包括80*80全差分S参数矩阵、TDR、眼图以及电磁辐射的全部仿真。无需采用其他工具，一气呵成得出全部上述结果。在高速互连领域CST有绝对的优势。左上图为高速连接器结构，右上图为其仿真用结构和端口定义，下面是单片wafer结构细节。左图是部分差分对差模间的插损、近端和远端干扰S参数。左右两张插图分别示出5GHz和20GHz频点上25#端口差模激励时的电流分布。可以清晰地看到5GHz时传输良好，而20GHz时传输很差，直观印证了S参数插损曲线（绿色），为设计师提供改进的思路。左下图示出CST由时域仿真得到的时域反射阻抗TDR曲线。由于直接采用的是时域场仿真，没有频域CST的TDR精度很高。右下图示出10Gbps速率下伪随机码的眼图，并给出眼高、眼宽、触发沿抖动峰值/方差等眼图统计参数。在得到连接器信号完整性性能的同时，仿真还一并给出连接器的电磁辐射强度。在1W激励时，下面四张图分别给出5GHz、10GHz、20GHz和25GHz四个频点上该高速连接器的1米法电磁辐射强度，分别是；101.8dBuV/m、114.1dBuV/m、130.0dBuV/m和132.5dBuV/m。7核磁共振MRI高频线圈调谐、B1场分布、SAR仿真流程CST提供完整的决工具–CSTMWS-T+CSTDS+CSTMPS 以下为一个八通道核磁共振成像设备完整的设计仿真流程：CSTMWS时域求解器T对带有人体负载情况下的八个线圈进行无源射频网络分析；CSTDS中对所有线圈进行调谐；DS的场路协同仿真，由路仿真得到各线圈谐振B1场的分布；最终合成场：在CST的后处理模板中得到八通道任意幅相下的合成场分布及对应的比吸收率，并在MPS线圈场仿真这是一个高场强（B0=7T）胸部线圈的核磁共振成像设备。左下图为实际MRI人体检查装置，中下图则为CST的电磁数值仿真模型，由人体电磁模型、八套射频线圈以及外加梯度磁场的屏蔽罩组成。射频线圈的细节见右下图，每个线圈包含两个负载阻抗和两个调谐端口（红色的离散端口）。对于这样一个包含有各向异性材料精细人体模型的复杂仿真结构，只能采用计算效率最高的CSTMWS时域求解器进行仿真，得到16端口S参数矩阵。线圈路调谐在上一步的CSTMWS仿真界面下，只需切换到与之相伴的CSTDS页面下就可以看到已经生成好的16端口S参数矩阵模型。加上相应的调谐电容和移相器，就形成了完整的八通道MRI电路–八端口网络。启动DS内嵌的优化器，以电容值和移相器值为优化变量，以这八个端口的反射系数在297.2MHz处均达到最小为最优目标，经过快速路仿真得出右图中调谐后的谐振特性曲线。因为人体的存在已经被考虑在上步的场仿真中，所以这里得出的就是真实情况下的调谐状态。采用DS使得调谐速度大大提高。8谐振场分布在上一步的CSTDS中，勾选CSTMWSco-simulation开通场路协同仿真，此时每次路仿真总伴随着一次相应的电磁场全波仿真。依次激励八个端口，便得到八个场分布，见下图。最终合成场以下是对三种不同的人体样本（下面第一行三个图）进行仿真得到的射频B1场分布（第二行三个图）和通过实测得到的翻转角度分布（第三行三个图）在各自相同通道幅相设定下的结果比对。可见吻合较好。这可以在CST的后处理模板中进行场合成。首先在上步DS中得到了所有八个通道单独激励下的场分布，再给定各通道的幅相设定得到八通道同时作用下的合成射频B1场分布。在后处理中还可以得到人体的比吸收率SAR。最后在CST多物理场工作室的温度场求解器中得到人体在特定MRI功率下的温升分布。9核磁共振MRI高场强核磁共振成像系统，B0磁感应强度大于7Tesla，工作频率480MHz。目标：优化RF线圈以保证高分辨率的成像（B1在成像区域中的均匀度）、低SAR和高信噪比。人头采用的是HUGOVoxel数据。核磁共振仪与人体电磁模型一并仿真SAR。采用CSTMWS时域求解器仿真。CST支持HUGO电磁人体模型，其精度为1mmx1mmx1mm，包含31种各类有耗及色散人体组织材料，覆盖100MHz至2450MHz中七个频点。微放电下面24张图给出采用CSTPS-PIC求解器仿真的一个工作在L波段的射频开关，在79W输入功率下的微放电过程，从6ns直至52ns，每隔2ns。在52ns时，内外导体间充满了电子形成的等离子体云，不同的颜色表示电子具有不同的能量，红色高，蓝色低。右图给出宏电子数随时间（前10ns）的变化情况。CST与其他专用微放电软件相比的独到之处是：a）可以仿真任意结构而不局限于规则波导和腔体；b）拥有PIC和TRK两种算法，尤其是PIC自洽算法是其他软件不具有的，对强流雪崩来说，仿真精度远比Tracking高；c）拥有常用材料的二次电子发射参数，并提供用户实测数据接口。10电真空管和粒子加速器带电粒子与电磁场的相互作用降压收集极：电子在逐级降压电极下逐步被减速，最后轰击在电极表面上，这里计及了二次电子发射。左图为电位分布(CSTEMS)，中图为电子轨迹(CSTPS)，右图为由于电子轰击所造成的温度分布(CSTMPS)。直线正负电子对撞机上所采用的超导高频加速腔中由于腔内表面上杂质被高频高加速场强捕获并同步多次轰击腔体造成急剧增长的“暗流”（DarkCurrent），最终导致失超(Quench)，最右边的三张图给出三个不同时刻下粒子倍增的轨迹(CSTPS)。

时间变化采用CSTPSPIC自洽求解器仿真C波段正交场放大器。宏粒子37300个，内存1.5GB，时间9h40m（8核并行）。仿真结果：频率5.2GHz，输入功率50kW，偏置磁场0.24T，得到增益为11.5dB。实测为10.7dB左图为阴极电压-27.5kV，粒子在做摆轮运动，下行中图红色曲线为输入信号，兰色为输出信号，它们的频谱见下行右图。11特殊材料左手材料SplitRingResonator(SRR)阵列置于CPW介质片的背面结构上，在每个SRR的圆心处，背面的CPW信号线与两边的地短路。CSTMWS频域有限元求解器在UnitCell边界条件下得出左图所示的带通特性。CSTMWS时域求解器对上面整个双谐振环的三维结构（左上图）进行了仿真。在结构呈现正折射率时入射波的折射如上中图所示，右上图则给出了结构呈现负折射率时波反向折射的现象。=-1时的三维电场图负属性材料=-1 =0 0<<112光应用光子带隙PBG/nm传输光子晶体具有周期性结构，它对光有选色作用。右图插图所示的周期性结构是由一系列相隔760nm均匀排列的折射率为3.4、宽窄为180nm见方的GaAs柱所构成。通过CSTMWS频域求解器的UnitCell边界条件对其一个周期进行仿真，即可得出右图所示的带阻特性：1300nm–2200nm/nm传输通过纳米结构优化对太阳能硅电池在绿光（500THz）—光电转换效率得以14%左右的提高211THz光路定向耦合器纳米级高分辨光镊高场强梯度光学捕获在亚微米和生物组织研究中广泛应用。注入一束偏振于金属光镊头的、波长为810nm的强红外光，直径为10nm的介质或金属微粒即可被光镊捕获。右上图示出微粒被光镊捕获在其邻近精细的分辨空间内。右下图分别示出入射光极化与光镊正交时、平行时场强增强75倍和微粒捕获时的场强分布。450THz光栅等离子体生成和散射450THz550THz在给定光栅材料、间距、入射光波长和入射角等条件时，可以仿真等离子体状态的形成。右图为采用CSTMWS时域求解器仿真所得的动态过程。平面波从右下方以44度角入射，生成向右方传播的谐振表面波。右上图：450THz下没有表面波生成；右下图：550THz下可以明显地看到表面波。550THz采用CSTMWS有限元求解器中的UnitCell可以仿真稳态无穷周期条件下的情形。另外，采用上面相同的方法还可以仿真光栅的等离子体散射现象。13静场和低频应用高压断路器–静电场采用CSTEMS有限元静电场求解器对24千伏SF6气体绝缘环负载断路开关进行全结构仿真。得出高精度电位分布和电场强度分布，方便分析可能局部击穿放电的部位。X光管–静电场牙科专用小型X光机中的X光发生器由X光管、铅盒和外壳等组成（左图）。阳极电压70kV，射线屏蔽铅盒35kV，壳体0电位。优化壳体与铅盒间套筒的插入深度，能够避免两者间的高压放电，保证病人检查时的安全。图示为电场云图。CSTEMS静电场求解器。电机电路参数的提取–准静磁场CSTDS中的系统装配仿真（SAM）技术，将电机等效电路参数的提取分解为多个自动步骤：采用CSTEMS二维静磁求解器提取绕组的电感矩阵；采用低频全波求解器提取绕组的损耗和电抗频率特性。电动机和发电机–（准）静磁场罩极感应电机（最左图，采用CSTEMS时域准静磁求解器）和爪极感应发电机（左图，采用CSTEMS静磁求解器）。快速准确求解磁场分布及各个部分和材料所受到的电磁力和力矩。14接触点焊–稳恒电流接触点焊机广泛用于汽车车架的快速焊接中。通过CSTEMS稳恒电流求解器求解电流密度分布。电磁喷射阀门–准静磁场电磁阀门通常工作在脉冲开关状态。采用CSTEMS时域准静磁场求解器最为合适。可以快速准确地求解出每个指定物体所受的电磁力和力矩。6/4开关磁阻电机磁密分布–2D静磁场采用CSTEMS中的二维静磁场有限元求解器分析6/4结构开关磁阻电机的磁密分布。由于是二维仿真，不但精度高，而且速度非常快。支持二阶有限元。气体绝缘开关GIS的电流-热-变形仿真采用CSTEMS低频有限元频域求解器得到气体绝缘开关的欧姆损耗密度；导入CSTMPS作为稳态热求解器的源，得到温度分布；再作为结构应力求解器的输入仿真GIS的形变。15分布参数RLCG提取–电抗器、电源母排采用CST电磁工作室可对电力设备的无源部分进行RLCG分布参数提取，如变流器输入输出母排、功率滤波电路、电抗器等。通过与CSTEMS无缝协同的CST设计工作室将RLCG参数作为网络模型与其他有源器件相连，进行电路级仿真。电抗器

功率滤波电路

变流器输入输出母排分布参数RLCG提取–电抗器、电源母排当三相母排穿过大功率变流机柜铁皮外壳时，强大的涡流容易引起铁皮发热，在母排与铁皮孔间还会引起高压击穿打火，尤其是下图所示的方形排条。采用CST电磁工作室的低频电磁求解器，可以给出涡流电流分布、哪里会击穿打火及其打火功率，优化套管和母排中均压网的布置。左图为磁场（表面涡流电流）、中图为电场分布（两者为同一时刻），右图为结构。变电站VFTO全波电磁仿真大型变电站中隔离断路开关大型变电站中隔离断路开关（GCB）所产生的快速暂态过电压（VFTO）可以采用CST进行全波电磁场仿真。最下方4张图分别为10/50/100/500MHz变电站横截面上的磁场分布。给出电场和磁场探头的时域信号和频谱；给出整个GIS区域的场强分布；给出GIS周边100米半径球面上的电场场强分布。16多物理场应用多物理场应用电热开关–电流-温度-变形1*1*45236该电热开关由一个蛇形电流通路构成，结构两端固定，在10mA电流的驱动下，由于热膨胀导致结构向上突起，驱动开关。采用CSTEMS的稳恒电流求解器得出电流分布2和欧姆损耗分布3；CSTMPS的稳态热场求解器以EMS的欧姆损耗为源，得出温度分布4，再由其中的结构应力求解器得出结构变形5，右图6示出原始结构和变形后的结构。*G.K.Lau,T.ChuDuc,J.F.LGoosen,P.M.Sarro,F.v.KeulenPowerefficientV-shapeelectro-thermalactuatorusingconstrainedSU8Proc.Transducers2007Conference,Lyon,France高功率滤波器–温度特性下面是德国Spinner公司的高功率腔体滤波器。由于功率较高，金属腔体的温度势必升高，腔体形状将发生变化，最终影响到滤波器电特性的变化。这是一个典型的高功率微波引起的温漂效应。CST多物理场工作室能够分析热引起的结构变形。另外，CST微波工作室频域有限元求解器的快速灵敏度分析使得整个电磁-温度-形变-电磁多物理场闭环仿真成为了可能。整个闭环仿真在同一个用户界面下完成，输入输出数据格式无缝相接。采用内嵌的优化器，可以实现全自动多物理场的优化设计。CSTMWS-FEM电磁仿真

形变再反馈至CSTMWS得到新的电磁特性 CSTMPS-Ths热仿真

CSTMPS-ST结构应力仿真CourtesyofSpinnerGmbHGermany17粒子加速器高功率高频加速腔频漂仿真L波段TESLA超导加速腔受到两种腔体形变的作用：快变高功率电磁力和慢变温升热应力，形变将导致加速腔的谐振频率发生漂移，影响Beamloading的加速效果。三腔模型见右图。仿真流程：本征模仿真（MWS-E）：得到电场和磁场，以及欧姆损耗场；后处理（TBP）：由电场和磁场得到Lorentz力；热仿真（MPS-THs）：由欧姆损耗得到温度场分布；结构形变仿真（MPS-ST）：由温度场得到热应力，加上Lorentz力得到结构形变；本征模仿真：由形变通过全微分灵敏度导数矩阵得到本征频率的漂移。微带相控阵天线的多物理场仿真流程相控阵天线T/R组件的效率很低，频率越高效率越低，Ku/Ka波段下每平方厘米上的功耗可达近百瓦，天线、馈线、T/R组件、波控、电源、伺服等一体化方案必须基于电磁-热-结构形变-再电磁特性的多物理场闭环设计。18CST工作室套装丛书简介CST工作室套装丛书1-8/11/12/13/14/16是德国CST公司出版发行，CSTChina翻译校印的CST工作室最新软件的中文版帮助手册。CST工作室套装丛书9/10/15/17/18是CSTChina公司自行编制发行的实用算例大全和常见问题汇编。目前已发行的中文丛书有：CST1《CST2006–设计环境》CST2《CST2006–高级概念》CST3《CST微波工作室–4《CST微波工作室–5《CSTCST6《CST™–CST工作室套装丛书7《CST粒子工作室™–基础入门》三维带电粒子动力学仿真

订购请联系CSTChina，联系方式请见封底CST工作室套装丛书8《CST设计工作室™–基础入门&应用算例》高频有源电路及系统级仿真与综合CST工作室套装丛书9《CST微波工作室–实用算例汇编》汇集各类天线及无源器件仿真实例及其模型CST工作室套装丛书10《CST工作室套装™–问与答1》汇集CST软件使用问题与解答CST工作室套装丛书11《CSTMS工作室™–基础入门&应用算例》机箱线缆EMC专用仿真软件CST工作室套装丛书12《CST印制板工作室™–基础入门&应用算例》印制板EMC专用仿真软件CST工作室套装丛书13《CST电缆工作室™–基础入门&应用算例》线缆线束EMC专用仿真软件CST工作室套装丛书14《CST多物理场工作室™–仿真流程&求解器概述》热场及结构应力专用仿真软件CST工作室套装丛书15《CST电磁兼容算例汇编》覆盖板级、线缆线束、机箱机柜及系统整机EMC仿真CST工作室套装丛书16《CSTBOARDCHECK》印制板板级电磁兼容和信号完整性规则检查CST工作室套装丛书17《CST工作室套装–问与答2》汇集CST软件使用问题与解答CST工作室套装丛书18《CST工作室套装–工程算例汇编》汇集各类射频天线EMC工程算例CST《CST–1066|RCS|SI|TDR|EMC/EMI|手机SAR|滤波||||45个算例，其中个天线，4个RCS，3个FSS，2个巴仑、2个（TDR/SI/SPICE），1/电磁干扰（EMC/EMI），1（SAR）第一部分天线：UWB天线(Vivaldi天线/等角螺旋天线/补等角对数平面螺旋天线/阿基米德平面螺旋天线)；螺旋天线(四臂螺旋天线/圆锥对数螺旋天线)；平板缝隙阵天线(单脉冲雷达天线/双馈赋形波束缝隙阵天线/圆柱共形缝隙阵天线)；阵列天线(微带阵列天线/四单元微带天线/)/环焦天线/)；振子天线套筒天线/)和EBG(Y形FSS/双Y型FSS/棱锥形吸波器)(/)；第二部分RCS：经典问题(金属球RCS/金属Ogive的RCS)；腔体与进气道(进气道RCS)；整机(F117整机RCS)；第三部分连接器：TDR分析(同轴结构的TDR)；SI分析(多层PCB差分线/8层IC差分线)；SPICE模型(RJ45接头)；第四部分EMC/EMI：屏蔽机箱EMI(EMC-box)；第五部分常用微波器件：滤波器（腔体滤波器/LTCC双工器)；功分器；环流器；SAR分析