CST工作室套裝2017簡(jiǎn)介02 - CST仿真精度
第二篇就接著介紹CST工作室套裝2017，上一期講到仿真的三個(gè)核心概念：精度、速度、易用性。這一期，我們著重展開(kāi)介紹下保證仿真精度需要滿足哪些條件，以及CST軟件在仿真精度問(wèn)題上有哪些優(yōu)勢(shì)。
完備的技術(shù)
CST具有完備的仿真技術(shù)。為確保CST仿真技術(shù)保持持續(xù)領(lǐng)先地位，其仿真求解器處于不斷研發(fā)的進(jìn)程中，CST將數(shù)十年研發(fā)成就持續(xù)不斷地融匯于準(zhǔn)確高效的計(jì)算方法中。極高的精度讓眾多應(yīng)用領(lǐng)域使用CST工作室套裝的客戶能夠構(gòu)建出模擬真實(shí)器件行為的“虛擬樣機(jī)”，節(jié)省設(shè)計(jì)周期中的時(shí)間與成本。
下圖是福豪盛傳感器技術(shù)有限公司的一款車輪傳感器例子。Frauscher RSR180車輪傳感器的響應(yīng)曲線中，仿真與測(cè)試展現(xiàn)出完美的吻合關(guān)系。
傳感器線圈：列車車輪傳感器中線圈的磁場(chǎng)線，體現(xiàn)出車輪的耦合
“CST工作室套裝讓我們具備了快速準(zhǔn)確地對(duì)我們的傳感器建模的能力，包括實(shí)驗(yàn)中都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的各種與周邊環(huán)境的復(fù)雜交互。這一更豐富的認(rèn)知對(duì)于設(shè)計(jì)我們未來(lái)幾代傳感器而言價(jià)值不可估量。另外，CST員工的友善和能力出眾也值得稱贊，他們對(duì)于我們模型的研發(fā)成功做出了盡管是間接的但是同等的貢獻(xiàn)?！?nbsp;
作者：加文·蘭開(kāi)斯特(GavinLancaster)博士，福豪盛傳感器技術(shù)有限公司研發(fā)傳感器部門(mén)開(kāi)發(fā)人員
CST提供的求解器類型包括用于高頻和低頻問(wèn)題的通用時(shí)域(Time Domain)和頻域(Frequency Domain)求解器，以及全波積分方程(Integral Equation)求解器、本征模(Eigenmode)和高頻漸進(jìn)(Asymptotic)求解器、自洽互作用(PIC)求解器、靜場(chǎng)（Statics）和多物理場(chǎng)（Multiphyscis）求解器以及眾多專用求解器。這些求解器為解決多種應(yīng)用提供準(zhǔn)確通用的方法。
電磁頻譜：CST工作室套裝為整個(gè)電磁頻譜內(nèi)的各種問(wèn)題提供求解方案
對(duì)于很多應(yīng)用，可以對(duì)同一模型上使用多種仿真方法。CST完備的技術(shù)方法允許用戶在同一界面下通過(guò)對(duì)比不同求解器的結(jié)果來(lái)驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)這種相互檢驗(yàn)，能增強(qiáng)對(duì)于仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的信心。如下圖是一個(gè)磁控管的仿真。
仿真磁控管需要考慮高頻效應(yīng)、靜態(tài)效應(yīng)、熱效應(yīng)、力學(xué)效應(yīng)和粒子效應(yīng)。
強(qiáng)大的建模工具
精確的仿真要求精確的模型。這意味著模型必須能夠準(zhǔn)確反映現(xiàn)實(shí)對(duì)象并且能捕獲可能影響其電磁性能的所有狀態(tài)。CST 工作室套裝可提供強(qiáng)大的建模環(huán)境和CAD導(dǎo)入工具，幫助用戶為系統(tǒng)構(gòu)建實(shí)用的、有代表性的模型。
真正的瞬態(tài)電磁/電路協(xié)同仿真，能將二極管和晶體管等非線性組件整合至3D模型中。時(shí)域仿真的寬帶特性意味著能自動(dòng)將多種諧波考慮在內(nèi)。
測(cè)試數(shù)據(jù)也能導(dǎo)入到CST工作室套裝中，例如樣本材料的屬性、天線的近場(chǎng)或是半導(dǎo)體器件的S參數(shù)。這些都能集成到模型內(nèi)，使其能更接近真實(shí)的物理模型。
真實(shí)材料模型和電路元件讓這一SMD濾波器能以極高精度進(jìn)行仿真
在很多應(yīng)用領(lǐng)域，例如磁學(xué)和光學(xué)，典型的電磁效應(yīng)純粹是由器件中使用的非線性材料產(chǎn)生的。CST 工作室套裝包含大量材料模型，能用于對(duì)各種各樣的現(xiàn)象進(jìn)行仿真，包括等離子體和光電效應(yīng)、鐵磁性、二次電子發(fā)射和生物熱效應(yīng)。 CST工作室套裝內(nèi)的材料類型包括：
介質(zhì)
有耗金屬
各向異性材料
時(shí)變材料
溫變材料
梯度材料
色散材料
德魯?shù)履Ｐ?/p>
德拜模型
洛倫茲模型
旋電和旋磁
非線性材料
二階和三階非線性
克爾模型
拉曼模型
非線性磁性材料
涂覆材料
雷達(dá)吸波材料
疊層薄面板材料
表面阻抗材料
二次電子發(fā)射表面
福曼模型
沃恩模型
非線性熱和生物熱傳導(dǎo)材料
石墨烯
鐵氧體
高魯棒性、高精度的網(wǎng)格劃分
仿真中，結(jié)構(gòu)和場(chǎng)被離散化到網(wǎng)格上。每增加一個(gè)網(wǎng)格都會(huì)增大仿真的計(jì)算資源需求，這意味著如果能用盡量少的網(wǎng)格單元準(zhǔn)確描述模型則會(huì)帶來(lái)優(yōu)勢(shì)。CST工作室套裝可提供六面體和四面體體網(wǎng)格以及三角形和四邊形混合表面網(wǎng)格，為不同狀況提供不同的適用方法。
為在不影響性能的情況下改善六面體網(wǎng)格的準(zhǔn)確性，CST工作室套裝在其時(shí)域求解器中使用了理想邊界擬合(PBA)(R)技術(shù)。PBA保持了常規(guī)階梯網(wǎng)格的速度優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又能在不使用極高密度網(wǎng)格的情況下就能準(zhǔn)確地對(duì)曲面結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，使得仿真速度和精度達(dá)到了統(tǒng)一。
曲面元使得四面體網(wǎng)格和表面網(wǎng)格不管在高頻還是低頻仿真中都極具優(yōu)勢(shì)。此外，CST頻域求解器的網(wǎng)格加密算法是真正幾何結(jié)構(gòu)自適應(yīng)。真正幾何結(jié)構(gòu)自適應(yīng)永遠(yuǎn)對(duì)原始的未經(jīng)任何近似的模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格加密平滑，能極大的提高仿真精度。
采用傳統(tǒng)網(wǎng)格自適應(yīng)法（左）和CST真正幾何結(jié)構(gòu)自適應(yīng)（右）的同軸波導(dǎo)。
用于簡(jiǎn)單反射面天線的各種網(wǎng)格劃分策略如下圖所示：
階梯六面體（左上）、曲面四面體（右上）、曲面表面元（左下）以及CST的專有技術(shù)PBA（右下）。
可以看到無(wú)論是六面體網(wǎng)格還是四面體網(wǎng)格，CST都具有非常強(qiáng)大的技術(shù)積累和優(yōu)勢(shì)。
多物理場(chǎng)
電磁學(xué)與其他物理場(chǎng)有著緊密的聯(lián)系，包括力學(xué)和熱力學(xué)。因此，從電機(jī)和發(fā)電機(jī)到電磁爐和微波爐，多物理場(chǎng)分析成為眾多不同組件設(shè)計(jì)的必需。在許多情況下，電效應(yīng)和磁效應(yīng)難以與熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)分開(kāi)，例如，大功率濾波器在使用時(shí)會(huì)發(fā)熱，這樣會(huì)導(dǎo)致濾波器產(chǎn)生熱形變從而影響濾波性能。
為計(jì)算這些錯(cuò)綜復(fù)雜的熱效應(yīng)和力效應(yīng)， CST工作室套裝提供穩(wěn)態(tài)熱求解器、瞬態(tài)熱求解器、共軛熱傳遞(CHT)求解器和結(jié)構(gòu)應(yīng)力求解器。這些多物理場(chǎng)求解器與電磁求解器緊密配合，并且使用系統(tǒng)裝配和建模(SAM)架構(gòu)即能自動(dòng)設(shè)置仿真。通過(guò)SAM，計(jì)算出的溫度分布和形變能傳遞回電磁仿真供開(kāi)展敏感度分析，也能進(jìn)行收斂性分析，用于計(jì)算包含電磁-熱反饋回路的器件的穩(wěn)態(tài)解。
微波爐：微波爐的多物理場(chǎng)仿真（爐門(mén)網(wǎng)格未顯示）—左側(cè)：頻率為2.45GHz的電場(chǎng)；右側(cè)：30秒后的溫度分布。
電子冷卻：流經(jīng)散熱器的氣流。
為支持多物理場(chǎng)仿真，CST工作室套裝支持一系列非線性和溫變材料。對(duì)MRI和RF透熱療法等生物學(xué)應(yīng)用，身體組織的獨(dú)特?zé)釋傩?，如隨身體溫度變化的血流的冷卻效應(yīng)，可能會(huì)給體內(nèi)溫度造成嚴(yán)重影響。包括生物熱傳導(dǎo)方程在內(nèi)的熱求解器能對(duì)安裝到人體內(nèi)的裝置開(kāi)展真實(shí)仿真。此外，共軛熱傳遞(CHT)求解器還具備計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的功能，能仿真流經(jīng)器件的空氣流，以便為電子器件的散熱進(jìn)行建模。
CST并入達(dá)索后與達(dá)索子品牌SIMULIA(R)的鏈接，進(jìn)一步增強(qiáng)和拓寬了CST的多物理場(chǎng)應(yīng)用。后面我們還會(huì)給出具體的例子來(lái)說(shuō)明。
這期的內(nèi)容有點(diǎn)長(zhǎng)，主要介紹了保證仿真精度的幾個(gè)方面。要想仿真做的準(zhǔn)確，1）完備性的算法，2）準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)和材料建模，3）高精度高魯棒性的網(wǎng)格都是保證仿真精度的重要點(diǎn)。除此之外還介紹了CST工作室多物理場(chǎng)的功能，電磁產(chǎn)生熱，熱產(chǎn)生形變，形變改變電磁特性，在一些大功率的場(chǎng)景下也是非常需要考慮的問(wèn)題，能進(jìn)一步保證實(shí)際情況下仿真的準(zhǔn)確性。
下期繼續(xù)為大家介紹仿真另一個(gè)核心要素——速度。
