探索CST 工作室套装–电磁和多物理场仿真软件（Ⅱ）

 

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为什么进行仿真？

一次性设计成功是产品研发的理想境界。通过对虚拟样机进行电磁仿真能帮助您缩短设计迭代周期。仿真能够从开发的最初阶段让系统和组件在其所处的环境中进行分析与优化。这样能够加快设计流程，降低开发成本，加快市场投放速度。

为什么选择 CST 工作室套装？

CST 工作室套装®是用于设计、仿真和优化电磁系统的完备工具，被世界各地优异的技术和工程公司所广泛采用。CST ® 产品的三大支柱是精度、速度和易用性。

以上述三个概念为核心，CST 工作室套装在众多领域已得到工程师、设计师和研究人员的广泛使用，包括微波、RF 与光学、EDA 与电子、电磁兼容性 (EMC)、粒子动力学、静场和低频等领域。

速度

求解器技术 选择 CST 工作室套装中提供的求解器类型。

高频 

■ 时域求解器 – 一般用途

■ 频域求解器 – 一般用途

■ 积分方程求解器 – 电大结构、雷达散射截面积 (RCS)

■ 高频渐进求解器 – 装载性能、 RCS

■ 本征模求解器 – 谐振腔体

■ 多层平面求解器 – 平面结构

■ 2D 滤波器模块 –RF 滤波器分析与综合

■ 三维滤波器模块 – 交叉耦合滤波器分析与综合

■ 混合任务 – 使用多求解器进行混合仿真

低频 

■ 静电与静磁求解器——快速静态仿真

■ 稳恒电流求解器 – 直流应用

■ 低频时域求解器 – 非线性材料，瞬态效应

■ 低频频域求解器 – 涡流、位移电流

■ 系统仿真 – 多域和状态空间仿真

EDA 

■ PEEC 求解器 – 局部等效电路提取

■ 传输线求解器 – 信号完整性

■ FEFD 求解器 – 电源完整性

■ CST 规则检查 (BOARDCHECK) – PCB 上的电磁兼容 (EMC) 与信号完整性 (SI)

粒子动力学 

■ 粒子跟踪求解器 – 低能粒子、电子枪

■ 自洽互作用 (PIC) 求解器 – 高能粒子、RF 器件

■ 尾场求解器 – 加速器组件

多物理场  

■ 热求解器 – 电磁加热、生物热传导、电子冷却

■ 结构应力求解器 – 热膨胀、热变形

EMC 

■ 传输线矩阵 (TLM) 求解器 – 一般用途、EMC

■ CST 电缆工作室 – 线束仿真

■ 射频干扰模块 – RF 干扰分析

■ 规则检查 – PCB 上的电磁兼容和信号完整性

选择最适用的求解器

“在 CST 工作室套装帮助下并通过使用高性能计算技术，我们能够验证 RF 通信要求，为宇宙飞船上的各个单元和仪器确立合理的 EMC 要求。”

 ——Christian Imhof 博士，空中客车国防与航天公司卫星产品部

 

天线性能：使用 MLFMM 积分方程求解器仿真的一个低增益天线的辐射方向图，能清晰的显示出来自高增益天线的遮挡。

优异仿真性能是速度与精度的结合，能让用户迅速获得有用的结果。一个能在某种类型的模型上高效率工作的求解器可能对于另一个类型的模型就变成了糟糕的选择。为此 CST 工作室套装提供多种不同类型的求解器。通过完备的求解技术，CST为所有电磁问题提供适用的解决方案，覆盖的频率范围从DC到光学频段，模型尺寸规模从纳米级到超电大。

例如积分方程求解器和高频渐进求解器极为适用于天线装载和雷达散射截面积 (RCS) 等问题，此时的结构的长度相当于数百或数千波长。而对于那些电小的、谐振结构，使用本征模求解器或频域快速谐振求解器能以更高的效率进行仿真，这些求解器被专门设计用于诸如滤波器和加速器腔体等谐振结构的仿真分析。

许多系统包含多个组件，每个组件都有不同的最适用的求解器。在这种情况下，系统装配与建模 (SAM) 功能能用于将系统细分为多个更小的模型，随后每个模型都能使用合适的求解器进行仿真，每个阶段计算求得的场都能自动地传输给下一阶段。

高性能计算和云计算

“GPU 计算能帮助我们开展一些之前无法实现的复杂仿真。”

作者：Matt Fuller, Selex ES

CST 提供大量基于硬件的仿真加速选项，例如多线程并行、硬件加速、MPI 集群计算和分布式计算。这些加速选项可用于提高仿真速度，仿真更大型、更复杂的模型，或是将任务在网络或集群的多个节点上进行分配。这些高性能计算 (HPC) 方法几乎可用于所有类型的应用和硬件配置，从独立单台工作站到企业级集群均可使用。

 

为最大化投资效益同时简化为给定仿真模型选择最高效加速解决方案的工作，CST使用加速口令许可方案。这样能够便捷的选取和组合使用丰富多样的高性能计算选项，便于混合使用和匹配加速方法。

 

对于有高要求的小企业，CST 工作室套装还能在云端运行。通过云计算，模型能通过互联网安全地传输给HPC 计算提供商，使用他们的硬件开展计算。这意味着偶尔需要运行高要求仿真的用户无需安装和维护专用硬件的成本就能用使用 HPC。

因为高性能硬件需要大量投资，我们的硬件专家能随时为考虑购买或升级 HPC 系统的用户提供建议，并帮助审查硬件配置。CST 与硬件厂商测试中心合作提供基准测试服务，帮助确保 CST 工作室套装能在客户选定的硬件配置上高性能运行。

 

自动优化

局部

■ 信赖域法

■ Nelder-Mead 单纯形法

■ 插值准牛顿法

■ 经典鲍威尔法

全局

■ 遗传算法

■ 粒子群算法

■ 协方差矩阵自适应进化策略法 (CMA-ES)

即便是在最简单的器件中，影响器件性能的变量的数量也可能大得惊人。优化功能可自动运行调试这些变量的过程，最终实现找到一组满足设计要求的值。所有 CST工作室套装模块中内嵌的优化器均可用于任何参数优化，包括模型的几何结构、材料的属性和激励的波形。

CST 工作室套装包含局部和全局优化器。局部优化器搜索贴近初始值的参数空间——能够快速细调一个接近最优的模型。而全局优化器会搜索整个参数空间，对于复杂结构和初始值距离理想值偏离较大的模型，这种优化器的效率较高。

信 赖 域 (Trust Region Framework) 优 化器能充分发挥敏感度信息的作用。这样便于快速分析小幅改动给模型造成的影响，从而显著地加快优化速度。此外，敏感度还能用于开展良品率分析，只需要仿真一次就能快速计算加工容差对器件性能的影响。对 PCB 而言，帕累托前沿（Paretofront）优化能用于优化去耦电容器的布置，在保持性能的同时简化物料清单。

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