CstのFlo / Emcの機能部分

cst_のflo / emcの機能部分【オリジナルチュートリアル】CSTマイクロ波スタジオシミュレーションのクイックスタート



Functional Part Flo Emc Cst_ Original Tutorial Quick Start Cst Microwave Studio Simulation



はじめに：このチュートリアルは大学院生向けの授業中に作成され、主にCSTマイクロ波スタジオを紹介しました アルゴリズムの原理 、作業手順 そして続行します ケースプレゼンテーション と スキルディスカッション 、参考のためにここで再編成しました。

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CSTの起源の短編小説についてお話ししましょう。CSTのフルネームは、ドイツのDr.-Ing教授の傑作であるComputer SimulationTechnologyです。トーマスウェイランド。彼は、CSTコアアルゴリズムの有限積分手法を提案しました（有限積分手法-FIT、1977）。 [1]）に掲載され、3年目にダルムシュタット工科大学を卒業しました。

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博士号を取得した後、ドイツ、米国、日本の多くの学校や研究機関で働いていました。豊富な科学研究と学術資本を蓄積した後、彼は1979年に母校に戻り、Theorie ElektromagnetischerFelderのボスになりました。 3年後（博士号を取得してから12年後）、彼はCST（German Computer-Simulationstechnik）という名前の3次元電磁シミュレーションソフトウェア会社を設立しました。 20年以上の開発を経て、CSTは電磁気シミュレーションの分野で絶対的な優位性を占め、2016年にフランスのダッソーシステムズに2億2,000万ユーロで買収されました。トーマス・ウェイランド教授はついに人生の真の勝者になりました（ここで拍手） ）。

（1）アルゴリズムの紹介

CSTソフトウェアには多くのシミュレーション製品が含まれており、紹介する例としてMicrowave Studio（MWS）のみを使用しています。有限差分時間領域（FDTD）とは異なり、コアMWSアルゴリズムFITはマクスウェル積分方程式を離散化します。ただし、直交座標では、FITアルゴリズムとFDTDアルゴリズムは同等であるため[2]、FDTD法の理解を参照できます。FITアルゴリズムを学習します。



具体的には、まず計算領域を一連の小さな立方体に分割し、各立方体のエッジの中心で電界強度E（x、y、z、t）をサンプリングし、立方体の中心で磁界強度Hを実行します。面。 （x、y、z、t）サンプリング（ 空間離散 ）。面積分散が十分に小さい場合、積分方程式は近似的に離散和形式として表すことができるため、方程式は行列形式として書き直すことができます（可変時間偏微分は一時的にドットキャップで表され、変数の上にドットが追加されます）。

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次に進む タイムサンプリング FDTDと同様に、時間偏微分は微分されます。電界強度Eと磁気誘導強度Bは等しい時間間隔でサンプリングされますが、EとBのサンプリング時点は半分の時間ステップでずらされます。残留可変電束密度Dと磁界強度Hは構成関係で表されます。

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最後に、空間離散化と時間サンプリングを統合することにより、計算領域の空間場の初期状態、電磁励起源、境界条件を指定する効果が得られ、アルゴリズムは電場と磁場の値を交互に計算できます。各タイムステップで。

ここで強調する必要があるのは、それがFITであろうとFDTDであろうと、時空間離散サンプリングが鍵となるということです。電場と磁場の空間サンプリングが同じ場所にあり、時間サンプリングが同じ瞬間にある場合、離散方程式の解法は非常に困難になると想像してください（分析式がなく、多くの未知数N）。一般にリープフロッグアルゴリズムとして知られている、時間と空間でのインターリーブサンプリングの方法は、単純な並べ替え後の離散方程式システムです。 直接反復的に解くことができ、大規模な並列計算に便利です 。

さらに、完全なFITシミュレーションに関しては、 数値安定性、境界条件、空間場/回路励起、および近接場から遠方場への変換 そして、他の多くのコンテンツ、詳細な調査が必要な友人は、FDTD関連のコンテンツを参照できます（公開番号の記事My FDTD Learning Roadは、関連するトピック情報の共有を提供します）。

（2）シミュレーションプロセス

一般に、CST MicrowaveStudioのシミュレーションプロセスは6つのステップに分けることができます。

1.初期設定

主に時間/長さの単位とバックグラウンドの塗りつぶしを設定します。たとえば、mを長さの単位、GHzを周波数の単位、backgroundを空き領域として設定します。

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2.モデルを作成します

CSTには、完全な範囲のモデリング、完全な機能、および簡単な操作があります。単純な立方体、球、円柱、円錐、その他のモデルを描画するだけでなく、ストレッチ、くり抜き、平行移動、組み合わせなど、ユーザーのニーズに応じて多数の幾何学的変更を実行することもできます。また、パラメトリックモデリングと外部CADモデルのインポートもサポートしています。

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3.インセンティブを定義する

時間領域シミュレーションの場合、一般に広帯域ガウスパルスによって励起され、シミュレーションオブジェクトの広帯域電磁散乱特性が取得されます。この目的のために、最初に周波数範囲を設定し、次に主に以下を含む励起スタイルを設定する必要があります 宇宙場の励起 （平面波、近接場）および 回路の励起 （導波管、ディスクリートポート）。

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4.境界を設定します

コンピュータのメモリと計算速度が限られているため、通常、シミュレーション領域は切り捨てる必要があります。 電界 、 磁場 と 吸収します 3つの境界条件。その中で、電界境界は接線電界がゼロ、磁界境界は接線磁界がゼロ、吸収境界は反射のない電磁波透過であり、これは一般に完全整合層（PML）によって実現されます。 ）。

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5.監視を設定します

FITシミュレーションプロセス中に多数の中間変数が生成されるため、それらをすべて保存すると、一方では多くのメモリが消費され、他方では計算速度が低下します。このため、後処理のニーズに応じて、有用な計算結果のみが保持されます。たとえば、特定の断面の電界分布を観察する必要がある場合、空間全体の電界値を保持するのではなく、断面の各時間ステップの電界値が計算プロセス中に記録されます。毎回。

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6.分割シミュレーション

ために 巨大な均一なオブジェクト つまり、計算領域のメッシュ密度が 最高周波数の波長の10分の1 時間、シミュレーションの精度が必要になる場合がありますが、シミュレーションオブジェクトに 微細構造 たとえば、モノポールアンテナが分割されている場合、離散分割モデルが元の構造の電磁特性を正確に記述していることを確認するために、微細構造をチェックする必要があります。現時点では、メッシュ密度は次のように低くなる可能性があります 1/40波長以下 。

モデルを分割した後、時間領域シミュレーションを実行できます。 FIT時間領域ソルバーは時空間反復戦略に基づいているため、これには手動定義が必要です。 シミュレーションのカットオフ条件 デフォルト設定を採用すると、計算領域のフィールドエネルギー散逸が無視できるレベルに達すると計算が停止することを意味します。ユーザーは、制限する最大シミュレーション時間をカスタマイズすることもできます。

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以上が数値計算の観点からまとめたCST運用プロセスであり、公式のCSTプロセスとは若干異なります。初心者が操作プロセスのオプションの場所にあまり精通していない場合は、メリットがあります。CSTヘルプファイルにがあります。 クイックガイド 、時間領域分析を選択した後、プログラムは自動的に対応するメニューを選択し、対応する項目を選択し、ダイアログボックス（非常に使いやすい機能）をポップアップします。直接設定するだけです。

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（3）デモの例

1.モノポールアンテナ

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アンテナシミュレーションモデリングサイズ

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1D結果：時間領域のパルス波形が入射し、フィードポートで反射

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1D結果：周波数による入力インピーダンスの変化

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2D結果：2次元電界分布

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3D結果：遠方界パターン

2.パッチアンテナ

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アンテナシミュレーションモデリングサイズ

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1D結果：時間領域のパルス波形が入射し、フィードポートで反射

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1D結果：周波数による入力インピーダンスの変化

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2D結果：2次元電界分布

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3D結果：遠方界パターン

（4。討議

ほとんどのユーザーは、ソフトウェアを使用して実際の測定結果と比較するためのシミュレーションを実行し、実際の測定結果が正しい必要があると考えることに慣れています。シミュレーション結果が一致しない場合は、シミュレーションの問題です。個人的には、実験や数値シミュレーションに関係なく、自分が何をしているのかを知っているときだけ、得られた結果が信頼できると感じています。これが海外にたくさんいる理由です 電磁コンピューティングの大物は、彼の生涯のほとんどすべてで商用ソフトウェアを使用していませんが、彼自身のコードに夢中になって信じています。 （商用ソフトウェアを否定するのではなく、事実を述べるだけです）。もちろん、普通の私たちのように、それほどリアルである必要はありませんが、シミュレーションソフトウェアのバックグラウンド実現を強化するためのアルゴリズムとプログラミングレベルから、害はありません！

約 電磁気シミュレーション計算の中核はメッシュです 、メッシュが適切に分割され、シミュレーションの効率と精度が大幅に向上します。

シミュレーションオブジェクトに 対称 、および励起源も対称位置にあります。おめでとうございます。対称境界条件を使用でき、シミュレーション計算のデータ量を2倍にすることができます。

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シミュレーションオブジェクトに複数のコンポーネントが含まれている場合、および 最大サイズと最小サイズが大きく離れています 、モノポールアンテナのフロアやフィードなど、注意が必要です。メッシュ分割では、主要部分の詳細が再現されていることを確認する必要があります（簡単に言うと、分割後にメッシュを再モデル化し、元のジオメトリモデルを比較します）。

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一般的に、電磁シミュレーションの結果が信頼できるかどうかは、まず分析結果との比較、異なるソルバーの結果との比較などの分析と比較によって検証され、次に実際の測定による検証によって検証されます。今後の学習過程において、皆様の理解を深め、効率を高めていただきたいと思います。

注：このチュートリアルおよび関連するFITペーパーレポートに興味がある場合は、お問い合わせください。 役に立つ2you （WeChat）または公式アカウントをフォローする 役に立つ4you リクエスト。

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参照：

[1] WeilandT。離散ベースで6成分場のマクスウェル方程式を解く方法[J]。 AE U、1977、31（3）：116-120。

[2] Weiland T、Timm M、Munteanu I.3Dシミュレーションの実用ガイド[J]。 IEEE Microwave Magazine、2008、9（6）。

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オリジナルは簡単ではありません、共有することを歓迎します、再版の作者とソースを示してください：yc97463240、それは少し役に立たない（公開番号役に立つ4you）

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