3D EM 分析

CST Studio Suite® 是一种高性能 3D EM 分析软件包,用于设计、分析和优化电磁 (EM) 部件及系统。

适用于整个 EM 范围内各类应用领域的电磁场解算器全部包含在 CST Studio Suite 的一个用户界面中。解算器可以结合使用以执行混合仿真,使工程师可以更灵活地利用高效、直接的方法,对包含多种部件的整个系统进行分析。与其他 SIMULIA 产品的协同设计允许将 EM 仿真集成到设计流程中,并从最早期阶段开始推动开发流程顺利进行。

EM 分析的常见目标包括天线及滤波器的性能和效率,电机和发电机中的电磁兼容性及干扰 (EMC/EMI)、人体 EM 磁场暴露、机电效应,以及高功率设备的热效应。

电磁仿真解算器

CST Studio Suite® 允许客户访问多种电磁 (EM) 仿真解算器,它们使用了有限元方法 (FEM)、有限积分技术 (FIT) 和传输线路矩阵方法 (TLM) 等方法。这些都是功能最强大的通用解算器,适用于执行高频仿真任务。

用于专业高频应用领域(例如大型电气结构或高共振结构)的其他解算器则对通用解算器形成了补充。

CST Studio Suite 包含了 FEM 解算器,专用于静态和低频应用领域,例如机电设备、变压器或传感器。与此相配合的还有用于带电粒子动力学、电子学和多物理场问题的仿真方法。

这些解算器无缝集成到了 CST Studio Suite 中的一个用户界面,允许针对既定的问题类轻松选择最合适的仿真方法,同时通过交叉验证提供了更高的仿真性能和前所未有的仿真可靠性。

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高频

Asymptotic

渐近求解器是一种射线追踪求解器,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子大小的模拟。

应用范围:

电气上非常大的结构

天线安装性能

散射分析

本征特征

本征模求解器是一种3D解算器,用于模拟谐振结构,并结合了高级Krylov子空间方法(AKS)和Jacobi-Davidson方法(JDM)。本征模求解器的常见应用是高共振滤波器结构,高Q粒子加速器腔体和慢波结构(例如行波管)。本征模态求解器支持灵敏度分析,可以直接计算结构变形的失谐效应。

应用范围:

筛选器

腔体

超材料和周期性结构。

Filter Designer 2D

渐近求解器是一种射线追踪求解器,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子大小的模拟。

应用范围:

电气上非常大的结构

天线安装性能

散射分析

Filter Designer 3D

用于设计带通和双工滤波器的综合工具,其中产生了一系列耦合矩阵拓扑,可用于基于任意耦合谐振器的技术。它还通过使用Assembly Modelling提供了一些构建块的选择,以实现3D过滤器。用户可以从组件库中选择梳状线/叉指同轴腔和矩形波导,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,可以直接用作优化仿真模型的目标,或通过使用网络分析仪进行实时测量来帮助调整复杂的硬件。

应用范围:

用于不同电磁技术(例如腔,微带,电介质)的交叉耦合滤波器

辅助调整滤波器硬件(带有矢量网络分析仪链接)

Frequency Domain

频域求解器是一款功能强大的多功能3D全波求解器,基于有限元方法(FEM),可为多种类型的组件提供出色的仿真性能。因为频域求解器可以同时计算所有端口,所以这也是一种模拟多端口系统(例如连接器和阵列)的非常有效的方法。频域求解器包括模型阶数减少(MOR)功能,可以加快谐振结构(如滤波器)的仿真速度。

应用范围:

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

积分方程

一种基于矩量法技术的 3D 全波解算器,适用于模拟大型电气结构。

Multilayer

一种 3D 全波解算器,经过优化可用于模拟平面微波结构。

Time Domain

一种功能强大、用途广泛的 3D 全波解算器,可在单次运行中执行宽频仿真。

低频

Magnetostatic

静磁求解器是用于模拟静磁场的3D求解器。在瞬态效应和涡流不是至关重要的情况下,该求解器对于模拟磁体,传感器以及模拟电机(例如电动机和发电机)最为有用。

应用范围:

感测器

电机

粒子束聚焦磁铁

Electrostatic

静电解算器是用于模拟静电场的3D解算器。该求解器特别适用于电荷或电容很重要的应用,例如传感器。求解器的速度也意味着它对于优化诸如电极和绝缘体之类的应用非常有用。

应用范围:

传感器和触摸屏

电力设备

带电粒子设备和X射线管

Low Frequency – Time Domain

低频时域(LF-FD)解算器是一种3D解算器,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(例如运动或涌入)的问题。EQS求解器适用于电阻电容问题和HV-DC应用。

应用范围:

电机和变压器

机电—马达,发电机

动力工程–绝缘,母线系统,开关设备

Low Frequency – Frequency Domain

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

应用范围:

传感器和无损检测(NDT)

RFID和无线电力传输

动力工程–母线系统

Stationary Current

静态电流场求解器是一种3D求解器,用于模拟通过设备(尤其是有损耗组件)的直流电流。该求解器可用于表征直流或涡流与瞬变效应无关的组件的电性能。

应用范围:

大功率设备

电机

PCB配电网

粒子

Wakefield

The Wakefield Solver

由线电流表示的粒子束周围的场,以及通过与周围结构中的不连续性相互作用而产生的场。

应用范围:

腔体

准直仪

光束位置监控器

Particle Tracking

粒子跟踪求解器是用于通过电磁场模拟粒子轨迹的3D求解器。枪的“迭代”选项可以考虑空间电荷对电场的影响。有几种发射模型,包括固定发射,空间电荷受限发射,热电子发射和场发射,并且可以模拟二次电子发射。

应用范围:

粒子源

聚焦和光束转向磁铁

加速器组件

Particle-in-Cell

单元中粒子(PIC)解算器是一种通用的,自洽的粒子跟踪仿真方法,该方法在考虑时域电荷效应和两者之间的相互耦合的情况下,计算时域中的粒子轨迹和电磁场。这使得它可以用于模拟其中粒子和高频场之间的相互作用非常重要的各种设备,以及可能存在电子多脉冲技术的高功率设备。

应用范围:

加速器组件

慢波装置

多重作用

多物理场

Thermal Steady State Solver

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

应用范围:

大功率电子元件和设备,例如印刷电路板(PCB),滤波器,天线等。

医疗器械和人体生物加热

Thermal Transient Solver

热瞬态求解器可以预测系统随时间变化的温度响应。热源可能包括电场和磁场,电流,粒子碰撞,人体生物热以及其他用户定义的热源所产生的损耗。通过与我们的电磁求解器无缝链接,热瞬态求解器可以对设备进行瞬态温度预测,从而对设备的电磁性能产生影响。

应用范围:

大功率电子元件和设备,例如PCB,滤波器,天线等。

医疗器械和人体生物加热

Conjugate Heat Transfer Solver

共轭传热(CHT)求解器使用CFD技术来预测系统中的流体流量和温度分布。CHT求解器包括所有传热模式(传导,对流和辐射)的热效应,并且可以像稳态和瞬态热求解器一样包含来自电磁损耗的热源。可以直接对风扇,多孔筛网,热界面材料等设备进行建模。还可以考虑紧凑型热模型(CTM),例如两电阻CTM。

应用范围:

电子冷却:大功率电子元件和设备(例如PCB,滤波器,天线,机箱等)的自然对流和强制对流,并装有风扇,散热器等冷却设备。

Mechanical Solver

机械解算器可以预测由于电磁力和热膨胀引起的结构的机械应力和变形。它被设计为与EM和热解算器一起使用,以评估力和热量可能对设备的性能影响。

应用范围:

滤波器失谐

PCB变形

洛伦兹对粒子加速器的作用力

工作流程集成

CST Studio Suite® 提供的出色工作流程集成提供了可靠的数据交换选项,有助于减轻设计工程师工作量。

CST Studio Suite 的出名之处在于其超凡的 CAD 和 EDA 数据导入功能。即使一个损坏的元素也会造成整个部分无法使用,而成熟的修复机制可恢复有缺陷或不合规数据的完整性,从而显得尤其重要。

可以导入完全参数化的模型,并且由于 CAD 与仿真之间的双向链接,使得设计变更可以立即反映在仿真模型中。这意味着可以将优化及参数设计算例的结果直接导入回主模型中。这样可以改善工作流程集成,并减少设计优化所需的时间和工作量。

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Student Edition

CST Studio Suite® Student Edition 为您介绍了电磁仿真的世界,使 Maxwell 方程式比以往任何时候都更容易理解。凭借这一免费版本,您可以访问我们功能强大的可视化引擎和 CST Studio Suite 中最先进的一些解算器 – 只是 Student Edition 存在一些限制。

在提供 CST Studio Suite Student Edition 的同时,我们还准备了一些示例,通常都是您在学习电磁理论或其他相关课程时可能会遇到的典型课本式问题。每个教程都附带了一段说明性文本、一个 CST Studio Suite 文件,以及一段展示如何构建每个模型的短视频。

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自动优化

CST Studio Suite® 为电磁系统和设备提供了自动优化例程。可以针对 CST Studio Suite 模型的几何尺寸或材料属性对其进行参数化。这样,用户就可以研究设备在其属性发生改变时的行为。

用户可以查找最佳设计参数,以达到既定效果或实现某个目标。他们还可以调整材料属性以适应测量的数据。

CST Studio Suite 包含多种自动优化算法,既有本地算法也有全局算法。本地优化器提供了快速融合,但有可能只是本地的最低限度融合,而不是整体最佳的解决方案。另一方面,全局优化器可以搜索整个有问题的空间,但一般需要执行更多计算。

对于极其复杂的系统或存在大量变数的问题,可以使用高性能计算技术来加快仿真和优化速度。特别是,可以通过使用分布式计算来大幅提高全局优化器的性能。

优化器

Covariance Matrix Adaptation Evolutionary Strategy (CMA-ES) 是最精密的全局优化器,可为全局优化器带来相对快速的融合。借助 CMA-ES,优化器可以“记住”之前的迭代,此历史记录可用于提高算法的性能,同时避免出现局部最优。

适用于:全局优化,尤其是复杂的问题领域

一款强大的本地优化器,基于主要数据在起点周围的“信任”区域构建线性模型。建模的解决方案将用作新的起点,直至其融合至准确的数据模型。信任区域框架可以充分利用 S 参数敏感性信息减少所需的仿真数,同时加快优化流程。这是最为可靠的优化算法。

适用于:全局优化,尤其是带有敏感信息的模型

Genetic Algorithm 使用演化方法进行优化,在参数空间生成多个点,然后通过多个生成结果对这些点进行细化,会出现随机的参数突变。此算法在每个生成结果中选择“最适当的”参数集,从而融合至全局最优方案。

适用于:复杂的问题和具有许多参数的模型

另一款全球优化器,此算法将参数空间的点视为移动粒子。在每个迭代中,粒子的位置不仅根据每个粒子的最佳位置更改,而且会根据整体的最佳位置进行更改。Particle Swarm Optimization 适用于具有许多参数的模型。

适用于:具有许多参数的模型

此方法是本地优化技术,使用在参数空间分布的多个点来查找最优方案。相比大多数本地优化器,Nelder Mead Simplex Algorithm 更少依赖于起点。

适用于:复杂的问题领域,其中具有相对较少的参数,系统没有良好初始模型

这是一款快速的本地优化器,使用插值接近参数空间的梯度。Interpolated Quasi Newton 方法具有快速融合。

适用于:具有计算要求的模型

一款简单可靠的本地优化器,用于解决单参数问题。尽管速度慢于 Interpolated Quasi Newton,但有时更加准确。

适用于:单变量优化

Decap Optimizer 是一款用于印刷电路板 (PCB) 设计的专门优化器,其使用 Pareto 波前法计算去耦电容器最有效的布置。这样可以最大程度减少所需的电容器数量或降低总成本,同时仍满足指定的阻抗曲线。

适用于:PCB 布局

电磁系统建模

凭借 System Assembly and Modeling (SAM),CST Studio Suite® 提供了一种可简化仿真项目管理的环境,允许使用图解式建模来直观地构建电磁 (EM) 系统,并直接管理复杂仿真流。

SAM 框架可用于对整个设备进行分析和优化,包括多个单独的部件。这些以相关物理量的方式表述,例如电流、场或 S 参数。SAM 允许将最高效的解算器技术用于每个部件。

SAM 可以帮助用户对同一个仿真项目内的不同解算器或模型配置的结果进行比较,并自动执行后处理。SAM 可以方便地设置一连串解算器运行,以用于混合和多物理仿真。例如,使用 EM 仿真的结果来计算热效应,再计算结构变形,然后使用另一个 EM 仿真来分析去谐。

在准确地分析复杂模型时,这种不同仿真级别的组合有助于减少所需的计算工作量。

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电磁设计环境

CST Studio Suite® 设计环境就是一个由所有模块共用的直观用户界面。它包含一个 3D 交互式建模工具、一个图解式布局工具、一个用于电磁解算器的预处理器,以及根据行业要求定制的后处理工具。

功能区式界面使用选项卡来显示在设置、执行和分析仿真时所需的全部工具和选项,根据其在工作流程中的位置进行分组。上下文式选项卡意味着,在执行任务时最具相关性的选项只隔一键之遥。此外,Project Wizard(项目向导)和 QuickStart Guide(快速入门指南)为新用户提供了指导,并且允许访问广泛的功能。

该界面的核心是 3D 交互式建模工具,使用了 ACIS 3D CAD 内核。这一功能强大的工具允许在 CST Studio Suite 内部构建复杂模型,并使用简单的“所见即所得”方法进行参数式编辑。

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