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。

精度

经成功验证的求解器技术构成CST 工作室套装内各个模块的基础，多年的研发厚积薄发，铸就准确高效的计算仿真方法。此外，CST 也在持续不断地研发和优化建模与网格剖分技术，让仿真更加贴近实际。

速度

速度与精度两者相辅相成。无论问题是电大尺寸还是电小尺寸、宽带还是窄带，CST 工作室套装中的完备求解器均能够对各类简单及复杂的问题进行高效地仿真。高性能计算(HPC) 与优化能进一步扩展了求解器的各项功能。

易用性

CST 投入了大量的研发时间用以改善用户软件使用体验。这些包括工作流导向功能区界面，用于多种设计流的导入和导出工具，以及系统装配和建模(SAM) 功能。 SAM能将复杂系统或工作流细分为较简单的部分并进行自动化仿真。

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。如欲进一步了解CST 工作室套装在部分应用中的仿真使用。

精度

精度仿真： 在Frauscher RSR180 车轮传感器的响应曲线中仿真与测试展现出完美的吻合关系

“CST 工作室套装让我们具备了快速准确地对我们的传感器建模的能力，包括实验中都无法实现的各种与周边环境的复杂交互。这一更丰富的认知对于设计我们未来几代传感器而言价值不可估量。另外，CST 员工的友善和能力出众也值得称赞，他们对于我们模型的研发成功做出了尽管是间接的但是同等的贡献。”

作者：加文·兰开斯特(Gavin Lancaster) 博士，福豪盛传感器技术有限公司研发传感器部门开发人员传感器线圈：列车车轮传感器中线圈的磁场线，体现出车轮的耦合

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Complete 完备的技术

为确保CST 仿真技术保持持续领先地位，其求解器处于不断研发的进程中，CST 将数十年研发成就持续不断地融汇于准确高效的计算方法中。极高的精度让在众多应用领域使用CST 工作室套装的客户能够构建出模拟真实器件行为的“虚拟样机”，节省设计周期中的时间与成本。

提供的求解器类型包括用于高频和低频问题的通用时域(Time Domain) 和频域(Frequency Domain) 求解器，以及全波积分方程(Integral Equation) 求解器、本征模(Eigenmode) 和高频渐进(Asymptotic) 求解器、自洽互作用(PIC) 求解器、静场（Statics）和多物理场（Multiphyscis）求解器以及众多专用求解器。这些求解器为解决多种应用提供准确通用的方法。

对于很多应用，可以对同一模型上使用多种仿真方法。CST 完备的技术方法允许用户在同一界面下通过对比不同求解器的结果来验证仿真结果的准确性。通过这种相互检验，能增强对于仿真结果准确性的信心 。

完备的技术：仿真磁控管需要考虑高频效应、静态效应、热效应、力学效应和粒子效应。

电磁频谱：CST 工作室套装为整个电磁频谱内的各种问题提供求解方案

强大的建模工具

真实仿真：真实材料模型和电路元件让这一SMD 滤波器能以极高精度进行仿真

精确的仿真要求精确的模型。这意味着模型必须能够准确反映现实对象并且能捕获可能影响其电磁性能的所有状态。CST 工作室套装可提供强大的建模环境和CAD 导入工具，帮助用户为系统构建实用的、有代表性的模型。

在很多应用领域，例如磁学和光学，典型的电磁效应纯粹是由器件中使用的非线性材料产生的。CST 工作室套装包含大量材料模型，能用于对各种各样的现象进行仿真，包括等离子体和光电效应、铁磁性、二次电子发射和生物热效应。

真正的瞬态电磁/ 电路协同仿真，能将二极管和晶体管等非线性组件整合至3D 模型中。时域仿真的宽带特性意味着能自动将多种谐波考虑在内。

测试数据 也能导入到CST 工作室套装中，例如样本材料的属性、天线的近场或是半导半导体器件的S 参数。这些都能集成到模型内，使其能更接近真实的物理模型。

CST 工作室工作室套装内的材料类型包括：

■ 介质

■ 有耗金属

■ 各向异性材料

■ 时变材料

■ 温变材料

■ 梯度材料

■ 色散材料

德鲁德模型

德拜模型l

洛伦兹模型

旋电和旋磁

■ 非线性材料

二阶和三阶非线性

克尔模型

拉曼模型

非线性磁性材料

■ 涂覆材料

■ 雷达吸波材料

■ 叠层薄面板材料

■ 表面阻抗材料

■ 二次电子发射表面

福曼模型

沃恩模型

■ 非线性热和生物热传导材料

■ 石墨烯

■ 铁氧体

多物理场

电磁学与其他物理场有着紧密的联系，包括力学和热力学。因此，从电机和发电机到电磁炉和微波炉，多物理场分析成为众多不同组件设计的必需。在许多情况下，电效应和磁效应难以与热效应和机械效应分开，例如，大功率滤波器在使用时会发热，这样会导致滤波器产生热形变从而影响滤波性能。

为计算这些错综复杂的热效应和力效应， CST 工作室套装提供稳态热求解器、瞬态热求解器、共轭热传递(CHT) 求解器和结构应力求解器。这些多物理场求解器与电磁求解器紧密配合，并且使用系统装配和建模(SAM) 架构（见第21 页）即能自动设置仿真。通过SAM，计算出的温度分布和形变能传递回电磁仿真，供开展敏感度分析，也能进行收敛性分析，用于计算包含电磁- 热反馈回路的器件的稳态解。

为支持多物理场仿真，CST 工作室套装支持一系列非线性和温变材料。 对MRI 和RF 透热疗法等生物学应用，身体组织的独特热属性，如随身体温度变化的血流的冷却效应，可能会给体内温度造成严重影响。包括生物热传导方程在内的热求解器能对安装到人体内的装置开展真实仿真。此外，共轭热传递(CHT) 求解器还具备计算流体动力学的功能，能仿真流经器件的空气流，以便为电子器件的散热进行建模。

与SIMULIA® 的链接，进一步增强和拓宽了CST 的多物理场应用。

微波炉：微波炉的多物理场仿真（炉门网格未显示）—左侧：频率为2.45GHz 的电场；右侧：30 秒后的温度分布。

电子冷却: 流经PCB 的气流, 以及稳态温度分布。

高鲁棒性，高精度网格

在仿真中，结构和场被离散化到网格上。每增加一个网格都会增大仿真的计算资源需求，这意味着如果能用尽量少的网格单元准确描述模型则会带来优势。CST 工作室套装可提供六面体和四面体体网格以及三角形和四边形混合表面网格，为不同状况提供不同的适用方法。

为在不影响性能的情况下改善六面体网格的准确性，CST 工作室套装在其时域求解器中使用了理想边界拟合(PBA)® 技术。PBA 保持了常规阶梯网格的速度优势，同时又能在不使用极高密度网格的情况下就能准确地对曲面结构进行网格剖分，使得仿真速度和精度达到了统一。

曲面元使得四面体网格和表面网格不管在高频还是低频仿真中都极具优势。 此外，CST 频域求解器的网格加密算法是真正几何结构自适应。真正几何结构自适应永远对原始的未经任何近似的模型结构进行网格加密平滑，能极大的提高仿真精度。

网格划分方法：用于简单反射面天线的各种网格划分策略：阶梯六面体、曲面四面体、曲面表面元以及CST 的专有技术PBA。

速度

Wi-Fi 覆盖仿真:使用时域求解器仿真的工作在2.45GHz 的WI-FI 天线在公交车内电场分布。

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

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

宇宙飞船天线布置：BepiColmobo 水星行星轨道飞行器仿真模型，低增益天线用场源（红色）表示

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。”——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。

HPC 选项：CST 工作室套装中提供的部分的HPC 组合。所有这些HPC 组合都能通过本地硬件或通过云计算进行访问。

自动优化

Ante 线优化：一个微带天线阵列被优化用于改善WLAN 频段内的传输性能，优化前（左）和优化后（右）。

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。

CST 工作室套装中的优化器

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)

滤波器细调：使用信赖域法优化的滤波器，给出优化前后的S 参数。

易用性

用户界面友好

GUI: 用户界面帮助简化模型的设置与仿真，例如这个雷击仿真。

由于CST 工作室套装提供了如此众多的功能，因此在需要的时候能找到恰当的工具至关重要。为帮助用户顺利完成仿真流程，CST 工作室套装提供按用户需求设置仿真环境的功能，包括建模、仿真和后处理整个工作流，并为流程每一步自动显示合适的选项。

图形用户界面使用选项卡功能区为设计流程的每一步呈现最相关的工具，而且它能根据应用自动完成配置。用户界面通用于CST 工作室套装内的所有模块，为仿真工作流的各个步骤提供统一的环境。

CST 工作室套装中的工程向导让用户能够为仿真轻松地设置和配置工作空间，针对问题自动选择合适的单位、边界条件和求解器设置。设计的重复性意味着工程师常常发现他们反复运行同一类仿真，针对这一问题，可以使用向导存储和加载用户对某一问题的最佳解决方法的经验定制的配置，从而实现更加个性化的工作流。

CAD 和 EDA 导入

多种类型的导入/ 导出转接口，使得CST 能与CAD 工具轻松地交换几何数据，导入的结构可修改、可参数化，进一步地可用于优化和设计研究。 SOLIDWORKS® 和PTC Creo ™ (Pro/E)提供的模型能以完全参数化的格式导入，进一步提高了工作流的集成度。

导入和导出结构信息的能力是将仿真嵌入设计工作流的基础。从EDA 工具导入特别容易产生小间隙和小边缘结构，导致不必要地增大仿真模型的复杂度。为解决这些间隙和边缘结构问题，CST 工作室套装内置了强大的结构清理程序和自动修复功能。这些功能与高可靠的网格划分器结合使用，使得CST 对于即便品质非常差的CAD 数据也能开展高效的仿真。

CST 提供了CST 芯片界面来满足对集成电路设计的特殊要求。这个模块通过导入二维的芯片布局文件和集成电路芯片生产工艺文件来生成真实的三维芯片模型。

导入数据: 金属框架和电路板都导入CST 工作室套装进行EMC 分析。通过仿真，富士施乐的工程师能在构建雏形前就预估了电

支持的格式包括

CAD

■ ACIS SAT

■ STEP

■ STL

■ OBJ

■ NASTRAN (solid and mesh)

■ IGES

■ PTC Creo ™ (Pro/E)

■ Autodesk Inventor®

■ CATIA® v4 – v6

■ SOLIDWORKS and Solid Edge

■ Parasolid

■ Siemens NX™

■ 三维生物体数据(Biological voxel data)

EDA

■ ODB++

■ IPC-2581

■ Zuken CR5000/CR8000

■ GDSII

■ SPICE

■ Touchstone

■ 单层和多层Gerber

■ Mentor Graphics® Expedition ™

■ Mentor Graphics Board Station®

■ Mentor Graphics HyperLynx®

■ Cadence® Allegro® PCB Designer

■ Cadence Allegro Package Designer

■ Cadence SiP Digital Layout

■ Agilent ADS®

■ AWR Microwave Office®

■ Synopsis® HSpice, Saber

■ Sonnet®

■ Harness Description List

■ Cadence Virtuoso®

■ Si2 OpenAccess

工作流集成

CST 始终专注于三维电磁仿真软件的研发，同时提供与其它业界领先厂商工具的直接的、简单易用的接口，进一步整合了所有可用的专业技术知识，持续为用户提供领先的设计工具和方法途径。

面向各种EDA 工具和RF 电路/ 系统仿真器的专业接口让不同环境下的功能得到统一并被充分运用。强大的基于VBA、兼容OLE 的宏语言能实现与MATLAB® 或MS Excel® 等程序的直接通信。此外，CST工作室套装还能通过联合仿真提取芯片- 封装-PCB 内各通道的HSPICE 模型，然后传递给Synopsis®HSPICE® 开展仿真与分析。

CST 工作室套装是更广阔生态系统的一个重要组成部分，为许多其他仿真和设计工具提供了链接接口。众多工作流都得到专业软件工具的有效补充，例如用于天线分析的Antenna Magus®、用于匹配电路优化的Optenni Lab ™、用于RF 击穿分析的SPARK3D、用于波导组件综合的FEST3D 和用于宏建模的IdEM。这些产品能将接口内嵌到CST 工作室套装界面内，并通过CST 渠道进行销售与支持。

集成工作流：在设计这个智能设备项目时（左下），Antenna Magus® 被用来设计天线（左上），OptenniLab™被用来综合匹配电路（右上），CST 工作室套装被用来计算天线被安装在不同位置时候的性能表现。

结构和电磁联合仿真

自2016 年10 月起CST 就已成为达索系统SIMULIA 家族的一份子。SIMULIA 提供的仿真工具支持众多设计与制造领域。该智能手表项目体现了仿真在现代电子产品开发中众多不同应用中的一部分，同时体现了如何将CST 工作室套装与其他仿真工具结合，既能大幅度加快设计流程，又能有效降低测试需求。

本实例中的智能手表由一个含触摸屏的核心模块和表带中的数个附加模块组成，模块间通过柔性连接器连接。设计中存在多个结构效应和电磁效应相互作用的部分，包括指压屏幕造成的变形以及连接头的鲁棒性和信号完整性。

联合设计：CST-SIMULIA 智能手表。

滤波器

滤波器设计与优化是CST 工作室套装的一大应用，软件包含一整套工具用于滤波器设计流程中的每一个步骤，包括初始综合、精细调试、热分析和故障分析。

滤波器设计的起点是设计规格要求。这些设计要求一般不仅包括通带和阻带频率，还包括传输和反射零点、通带波动和品质因数，以及预算、空间和热需求。设计师面临的第一个挑战是选择一种既能满足约束条件又能满足各项要求的滤波器拓扑。为帮助工程师找到合适的滤波器类型并综合成一个初始设计，CST 工作室套装提供了用于腔体滤波器、交叉耦合滤波器和双工滤波器的三维滤波器模块(FD3D)，和用于平面滤波器的平面滤波器模块 (FD2D)。这些模块能用于为滤波器创建电路级模型和3D 模型，以便开展进一步仿真。FD3D 中的耦合矩阵提取为精细调试3D 滤波器结构提供了一个高效途径。

由于材料属性、耦合和连接器影响等效应，真实滤波器的性能与理想的数学模型略有不同。使用CST 工作室套装仿真不仅能仿真这些效应，还能通过优化降低它们的影响。强大的优化器（见第12 页）和高速频域求解器能高效地调试设计中的大量参数。动网格优化可大幅度减轻调试极敏感滤波器时发生的“网格噪声”，从而更快速、更准确地调试滤波器。

滤波器在使用过程中，电磁损耗会导致它发热膨胀。多物理场仿真（见第7 页） 将电磁仿真与热和力学仿真相结合，能在制造原型之前分析滤波器的热失谐。此外，通过链接CST 自洽互作用(PIC) 求解器和SPARK3D，可对二级电子倍增效应和射频击穿进行仿真（电晕）。

阵列仿真

通过将多个单元结合起来形成阵列，工程师能获得比单个天线性能优异得多的天线阵列。在正确的激励下，阵列能用于形成和控制波束，从而让阵列具备扫描环境或跟踪移动接收器的能力。从单天线设计到包含馈线和天线罩在内的完整天线阵系统，CST 工作室套装能用于研发各类小型和大型天线阵列。

MIMO（多输入、多输出）是一种在移动通信中广泛使用的技术，能充分利用多径传播的优势，改善复杂环境中的接收性能，其构成了智能认知天线的基础。CST工作室套装为MIMO天线提供计算性能指标的专用功能工具包，例如计算多路复用效率和包络相关系数。

对大型阵列，相控阵设计向导能显著简化阵列设计流程。首先仿真单个天线的性能以计算和优化方向图和阻抗，然后自动创建完整天线阵列模型，通过对天线阵的仿真将边缘效应和各单元之间的互耦考虑在内。

通过与Antenna Magus 中阵列综合工具的链接可以帮助用户为他们的阵列找到合适的布局与激励。

求解器耦合和混合仿真

每种仿真方法都有其自身的优势，每种优势都特别适用于特定类型的问题。但是众多现实系统并不严格地属于某一种类型，而是跨越了不同工程领域。为仿真这些系统，CST 工作室套装内的仿真能以多种方式进行耦合，从具有真正的时域场路联合仿真功能的电路级仿真，到诸如电缆求解器等的混合求解器，直至3D仿真内的场源耦合，不一而足。这就是说仿真可以混合进行，从而能在一个问题里结合多种求解器类型的优势完成仿真。

例1：汽车上的静电放电

例2：反射面天线性能正

系统装配与建模(SAM)

系统装配：一个裸卫星基座，标注有天线布置定位点和天线类型选择。

系统装配与建模(SAM) 能简化CST 工作室套装内的仿真项目管理。一个设备可能由一个以上的组件构成，每个组件可能都有不同的最佳求解方法，或是需要多个级联在一起的仿真和处理阶段才能得到用户所需的数据。SAM 为开展完整系统的仿真和优化提供了一个架构，先逐个对组件使用混合和多物理场方法，然后对装配完成后的设备进行系统仿真和优化。

在SAM 中系统以原理图方式加以描述。在最简单的情况下，用单个模块表达一个参数化3D 模型。用户通过设置仿真任务来定义待执行的计算，这样就可以级联仿真任务并将一个仿真任务生成的数据传递到下一仿真。例如，一个滤波器的电磁分析可以后接一个热仿真，然后是机械形变仿真，最后这一几何结构形变可在另一电磁仿真中用于研究失谐效应。所有仿真和级联都能在SAM 内轻松地进行定义，以实现真正的多物理场工作流。

通过增加原理图中的模型数量，用户能够创建一个完整3D 系统，并使用SAM 定义各组件间的装配组合及位置关系。仿真任务可定义为包含单个组件或任意多个组件组合，用户能够指定对每个组件应使用哪些求解器和哪些高性能计算选项。将不同复杂程度的仿真结合在一起有助于降低准确仿真一个完整复杂模型所需的计算工作量。如果需要，SAM 还能让用户使用场源级联仿真任务，或是在全3D 环境中创建和仿真整个系统。

系统建模：使用SAM，组件能够组合成单个模型，或是使用场源耦合加以级联，用于混合仿真。

正版咨询：

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