CST电磁仿真软件求解器介绍及应用

CST Studio Suite让客户可以使用多种电磁 (EM) 仿真求解器，这些求解器使用有限元法 ( FEM )、有限积分法 (FIT) 和传输线矩阵法 (TLM) 等方法。这些代表了用于高频仿真任务的强大的通用求解器。

用于专业高频应用（例如电气大型或高谐振结构）的附加求解器补充了通用求解器。

CST Studio Suite 包括专用于静态和低频应用（例如机电设备、变压器或传感器）的 FEM 求解器。除此之外，还有可用于带电粒子动力学、电子学和多物理场问题的仿真方法。求解器无缝集成到 CST Studio Suite 的一个用户界面中，可以轻松选择最适合给定问题类别的仿真方法，通过交叉验证提供改进的仿真性能和前所未有的仿真可靠性。

一、高频仿真求解器

1、Asymptotic 渐进求解：Asymptotic Solver 是一种光线追踪求解器，对于不需要全波求解器的超大型结构非常有效。渐近求解器基于射击弹跳射线 (SBR) 方法，是物理光学的扩展，并且能够处理具有数千个波长的电气尺寸的模拟。

应用：

● 非常大的电气结构

● 天线安装性能

● 散射分析

2、本征模求解器：Eigenmode Solver 是用于模拟共振结构的 3D 求解器，结合了高级 Krylov 子空间方法 (AKS) 和 Jacobi-Davidson 方法 (JDM)。Eigenmode Solver 的常见应用是高谐振滤波器结构、高 Q 粒子加速器腔和慢波结构，例如行波管。Eigenmode Solver 支持灵敏度分析，可以直接计算结构变形的失谐效应。

3、滤波器设计助手：一种用于设计带通和双工器滤波器的综合工具，其中生成了一系列耦合矩阵拓扑，用于基于任意耦合谐振器的技术中的应用。它还提供了构建块的选择，通过使用装配建模来实现 3D 过滤器。从组件库中，用户可以在梳状/叉指同轴腔和矩形波导之间进行选择，或者简单地定义任何类型的单模技术（例如 SIW 或电介质圆盘）的定制构建块。

附加功能包括耦合矩阵提取，可直接用作优化仿真模型的目标，或通过使用网络分析仪的实时测量帮助调整复杂硬件。

应用：

● 用于不同电磁技术（例如空腔、微带、电介质）的交叉耦合滤波器

● 滤波器硬件的辅助调谐（带有矢量网络分析仪链接）

4、频域求解器：频域求解器是一款功能强大的多用途 3D 全波求解器，基于有限元法 (FEM)，可为多种类型的组件提供出色的仿真性能。因为Frequency Domain Solver可以同时计算所有端口，所以它也是模拟连接器和阵列等多端口系统的一种非常有效的方法。频域求解器包括模型降阶 (MOR) 功能，可以加快滤波器等谐振结构的仿真速度。

应用：

● 使用中小型模型的一般高频应用

● 共振结构

● 多端口系统

● 3D电子

5、积分方程：积分方程求解器是 3D 全波求解器，基于矩量法 (MOM) 技术和多级快速多极子法 (MLFMM)。积分方程求解器使用曲面积分技术，在模拟具有大量空白空间的大型模型时，它比全体积方法更有效。积分方程求解器包括特征模式分析 (CMA) 功能，可计算结构支持的模式。

应用：

● 使用大型电模型的高频应用

● 装机性能

● 特征模式分析

6、多层求解器：多层求解器是基于矩量法 (MOM) 技术的 3D 全波求解器。多层求解器使用表面积分技术，并针对模拟平面微波结构进行了优化。多层求解器包括特征模式分析 (CMA) 功能，可计算结构支持的模式。

应用：

● 多媒体麦克风

● 馈电网络

● 平面天线

7、时域求解器：时域求解器是一款功能强大且用途广泛的多用途 3D 全波求解器，在单个封装中包含有限积分技术 (FIT) 和传输线矩阵 (TLM) 实现。时域求解器可以在一次运行中执行宽带模拟。对硬件加速和 MPI 集群计算的支持也使求解器适用于极其庞大、复杂和细节丰富的模拟。

应用：

● 使用中大型模型的一般高频应用

● 瞬态效应

● 3D电子

8、混合求解器：混合求解器任务允许链接时域、频域、积分方程和渐近求解器以进行混合仿真。对于涉及非常宽的频带或具有非常精细细节的电气大型结构的仿真项目，可以通过在不同部件上使用不同的求解器来提高计算效率。模拟场通过场源在求解器之间传输，求解器之间具有双向链接以实现更准确的模拟。

应用：

● 非常大的结构上的小天线

● EMC 模拟

● 复杂环境下的人体模拟

二、低频仿真

9、静电仿真：静电求解器是用于模拟静电场的 3D 求解器。该求解器特别适用于电荷或电容很重要的传感器等应用。求解器的速度也意味着它对于优化电极和绝缘体等应用非常有用。

应用：

● 传感器和触摸屏

● 电力设备

● 带电粒子装置和 X 射线管

10、静止电流：静态电流场解算器是一个 3D 解算器，用于模拟直流电流通过设备的流动，尤其是在有损耗组件的情况下。该求解器可用于表征 DC 或涡流和瞬态效应无关的组件的电气特性。

应用：

● 大功率设备

● 电机

● PCB配电网

11、静磁仿真：静磁解算器是用于模拟静磁场的 3D 解算器。该求解器最适用于模拟磁体、传感器，以及在瞬态效应和涡流不重要的情况下模拟电机和发电机等电机。

应用：

● 传感器

● 电机

● 粒子束聚焦磁体

12、低频频域：低频频域 (LF-FD) 求解器是一种 3D 求解器，用于模拟低频系统中的时谐波行为，包括磁准静态 (MQS)、电准静态 (EQS) 和全波实现。该求解器对于涉及频域效应且源为线圈的仿真最有用。

应用：

● 传感器和无损检测 (NDT)

● RFID和无线电力传输

● 电力工程——母线系统

13、低频时域：低频时域 (LF-FD) 求解器是一种 3D 求解器，用于模拟低频系统中的瞬态行为，包括磁准静态 (MQS) 和电准静态 (EQS) 实现。MQS 求解器适用于涉及涡流、非线性效应和瞬态效应（如运动或浪涌）的问题。EQS 求解器适用于阻容问题和 HV-DC 应用。

应用：

● 电机和变压器

● 机电 - 马达、发电机

● 电力工程——绝缘、母线系统、开关设备

三、多物理场仿真

14、热稳态求解器：热稳态求解器可以预测稳态系统的温度分布。热源可以包括由电场和磁场、电流、粒子碰撞、人体生物热以及其他用户定义的热源产生的损耗。热稳态求解器与我们的电磁求解器无缝连接，可以预测设备的温度并对其电磁性能产生影响。

应用：

● 大功率电子元件和设备，例如印刷电路板 (PCB)、滤波器、天线等。

● 医疗设备和人体生物加热

15、热瞬态求解器：热瞬态求解器可以预测系统随时间变化的温度响应。热源可以包括由电场和磁场、电流、粒子碰撞、人体生物热以及其他用户定义的热源产生的损耗。热瞬态求解器与我们的电磁求解器无缝连接，可以对设备进行瞬态温度预测并对其电磁性能产生影响。

应用：

● 大功率电子元件和设备，例如 PCB、滤波器、天线等。

● 医疗设备和人体生物加热

16、共轭传热 (CHT) 求解器：共轭传热 (CHT) 求解器使用 CFD 技术来预测系统中的流体流动和温度分布。CHT 求解器包括来自所有传热模式的热效应：传导、对流和辐射，并且可以包括来自电磁损耗的热源，就像稳态和瞬态热求解器一样。可以直接建模风扇、穿孔屏幕、热界面材料等设备。也可以考虑紧凑型热模型 (CTM)，例如双电阻 CTM。

应用：

● 电子冷却：大功率电子元件和设备的自然对流和强制对流，如 PCB、滤波器、天线、机箱等，安装有冷却设备如风扇、散热器等。

17、Mechanical Solver：Mechanical Solver 可以预测由电磁力和热膨胀引起的结构的机械应力和变形。它旨在与 EM 和热求解器一起使用，以评估力和加热对设备的可能性能影响。

应用：

● 滤波器失谐

● PCB变形

● 粒子加速器上的洛伦兹力

四、粒子仿真

18 、Particle-in-Cell (PIC) Solver：Particle-in-Cell (PIC) Solver 是一种通用的、自洽的粒子跟踪仿真方法，它计算时域中的粒子轨迹和电磁场，同时考虑空间电荷效应和两者之间的相互耦合。这使得它可以用于模拟粒子和高频场之间的相互作用很重要的各种设备，以及电子多重作用存在风险的高功率设备。

应用：

● 加速器组件

● 慢波设备

● 乘积

19、粒子跟踪求解器：粒子跟踪求解器是一个 3D 求解器，用于模拟通过电磁场的粒子轨迹。Gun Iteration 选项可以考虑空间电荷对电场的影响。有几种发射模型，包括固定、空间电荷限制、热离子和场发射，并且可以模拟二次电子发射。

应用：

● 粒子源

● 聚焦和光束转向磁铁

● 加速器组件

20、Wakefield Solver：Wakefield Solver 计算粒子束周围的场，由线电流表示，以及通过与周围结构中的不连续性相互作用产生的尾场。

应用：

● 空腔

● 准直器

● 光束位置监视器

五、EMC 和 EDR 仿真

21、PCB 求解器：CST Studio Suite 的 PCB 和封装模块是用于对印刷电路板 (PCB) 进行信号完整性 (SI)、电源完整性 (PI) 和电磁兼容性 (EMC) 分析的工具。它通过为来自 Cadence、Zuken 和 Altium 的流行布局工具提供强大的导入过滤器，轻松集成到 EDA 设计流程中。共振、反射、串扰、电源/接地反弹和同时开关噪声 (SSN) 等效应可以在产品开发的任何阶段（从布局前阶段到布局后阶段）进行仿真。

CST Studio Suite 包括三种不同的求解器类型——2D 传输线方法、3D 部分元等效电路 (PEEC) 方法和 3D 有限元频域 (FEFD) 方法——以及用于 IR drop、PI 和SI 分析

应用：

● 高速印刷电路板

● 套餐

● 电力电子

22、规则检查：Rule Check 是一种 EMC、SI 和 PI 设计规则检查 (DRC) 工具，可从 Cadence、Mentor Graphics 和 Zuken 以及 ODB++（例如 Altium）文件中读取流行的电路板文件，并根据一套 EMC 或 SI 检查 PCB 设计规则。Rule Check 使用的内核是著名的软件工具 EMSAT。

用户可以指定对 EMC 至关重要的各种网络和组件，例如 I/O 网络、电源/接地网络和去耦电容器。规则检查通过依次检查每个关键网络以检查它是否违反任何选定的 EMC 或 SI 设计规则来减轻乏味并消除人为错误。规则检查完成后，可以以图形或 HTML 文档的形式查看 EMC 规则的违规情况。

应用：

● 电磁兼容性 (EMC) PCB 设计规则检查

● 信号完整性和电源完整性 (SI/PI) PCB 设计规则检查

23、线束求解器：Cable Harness Solver 专用于对大型电气系统中复杂电缆结构的信号完整性 (SI)、传导发射 (CE)、辐射发射 (RE) 和电磁敏感性 (EMS) 进行三维分析。它为 3D 金属或介电环境中的电缆线束配置结合了快速准确的传输线建模技术。使用 Cable Harness Solver 和其他高频求解器进行混合仿真，可以有效地在 3D 中仿真包含复杂电缆束的结构。

应用：

● 电缆的通用 SI 和 EMC 仿真

● 车辆和飞机中的线束布局

● 消费电子产品中的混合电缆