SIMULIA CST

來自德國,承襲一貫的高品質科技工藝,CST STUDIO SUITE®以友善的使用界面,快速及準確的計算著稱。在單一的整合設定環境下,從建模到各式的後處理,不同的STUDIO提供三維全域電磁分析,讓工程師在短時間內獲得準確的分析結果。

CST STUIDO SUITE®是基於CST近三十年的三維電磁場演算法及軟體的研發,所發展出來的一全方位電磁模擬軟體,含蓋了由靜電磁場至光學應用頻率的設計分析與最佳化模擬。 模擬分析同時也包含了電路模擬(circuit simulation),熱傳、結構應力等多重物理模擬。所有STUDIO模擬皆透過如下圖所示的共同使用界面來達成。

 

CST STUDIO SUITE® 使用者環境

CST使用者環境為CST STUDIO SUITE®所有成員的前後處理器。使用者從建模、設定、解題到結果的計算與呈現,皆在此共通的工作環境下完成。

CST使用者環境是一個直觀且基於Windows的圖形使用者界面。採用先進的三維模型ACIS核心,以及非常容易上手的三維實體建模流程,讓使用者可以完全不用依賴外部的CAD軟體,即可建立真實產品的複雜結構與進一步的分析與設計。

CST使用者環境同時為一協同模擬(co-simulation)的工作平台。使用者在同一環境及界面下,即可切換不同的STUDIO進行協同模擬(例如:電磁與電路協同模擬)。計算結果可以很容易經由功能強大的後處理模板(Template Based Postprocessing;TBP), 作進一步計算及最佳化,而不需自行開發巨集指令。

當需要透過自動化或高效率的工作時,它也提供了巨集(Macro)語言,標準的VBA(Visual Basic for Applications)語法及其詳儘的參考資料,讓使用者可以開發其專屬的模擬流程或演算法。

同時,透過Windows的OLE的功能,模擬題目不管是在建模、計算或是結果,均可以輕易的與外部程式Excel,MATLAB和PowerPoint等支援OLE的應用程式相互連結或交換資料。

 

CST STUIO SUITE® 包含了以下的STUDIO

CST MICROWAVE STUDIO®
(CST MWS)

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  CST DESIGN STUDIO™(CST DS)
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CST EM STUDIO®(CST EMS)
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  CST PARTICLE STUDIO®(CST PS)
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CST MPHYSICS STUDIO®(CST MPS)
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  CST CABLE STUDIO®(CST CS)
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CST PCB STUDIO®(CST PCBS)
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  CST BOARDCHECK®(CST BC )
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CST ® 產品的三大支柱:精度、速度、易用性

一、精度

經成功驗證的求解器技術構成CST STUDIO SUITE®內各個模塊的基礎,多年的研發厚積薄發,鑄就準確高效的計算模擬方法。此外,CST也在持續不斷地研發和優化建模與網格剖分技術,讓模擬更加貼近實際。

      
圖1、在Frauscher RSR180車輪第四頁的響應曲線中模擬與測試展現出完美的吻合關係。

 

完備的技術

CST其求解器提供的類型包括:用於高頻和低頻問題的通用時域(Time Domain)和頻域(Frequency Domain)求解器,以及全波積分方程(Intergral Equation)求解器、本徵模(Eigenmode)和高頻漸進(Asyptotic)求解器、自洽互作用(PIC)求解器、靜場(Statics)和多物理場(Multiphyscis)求解器以及眾多專用求解器。這些求解器為解決多種應用提供準確通用的方法。


圖2、模擬磁控管需要考慮高頻效應、靜態效應、熱效應、力學效應和粒子效應。

 

對於很多應用,可以對同一模型上使用多種模擬方法。CST完備的技術方法允許用戶在同一界面下通過對比不同求解器的結果來驗證模擬結果的準確性。通過這種相互檢驗,能增強對於模擬結果準確性的信心。


圖3、電磁頻譜:CST STUDIO SUITE®為整個電磁頻譜內的各種問題提供求解方案。

 

強大的建模工具

精確的模擬要求準確的模型,這意味著模型必須能夠準確反映現實對象並且能捕獲可能影響其電磁性能的所有狀態。CST STUDIO SUITE®可提供強大的建模環境和CAD導入工具,幫助用戶為系統建構實用的、有代表性的模型。

      
圖4、真實模擬:真實材料模型和電路元件讓這-SMD濾波器能以極高精度進行模擬。

 

多物理場

電磁學與物理場有著緊密的聯繫,包括力學和熱力學。因此,從電機和發電機到電磁爐和微波爐,多物理場分析成為眾多不同組件設計的必需。


圖5、微波爐的多物理場模擬(爐門網格未顯示)-左側:頻率為2.54GHz的電場;右側:30秒後的溫度分布。

 

為計算這些錯綜複雜的熱效應和力效應,CST STUDIO SUITE®提供穩態熱求解器、瞬態熱求解器、共軛熱傳遞(CHT)求解器和結構應力求解器。多物理場求解器與電磁求解器緊密配合,並且支持一系列非線性和溫變材料。其與SIMULIA®的鏈接,進一步增強和擴寬了CST的多物理場應用。


圖6、電子冷卻:流經PCB的氣流,以及穩態溫度分布。

 

高穩健性,高精度網格

在模擬中,結構和場被離散化到網格上。每增加一個網格都會增大模擬的計算資源需求,這意味著如何能夠用盡量少的網格單元準確描述模型則會帶來優勢。CST STUDIO SUITE®可提供六面體和四面體網格以及三角形和四邊形混合表面網格,為不同狀態提供不同的適用方法。


圖7、網格劃分方法:用於簡單反射面天線的各種網格劃分策略:
階梯六面體、曲面四面體、曲面表面元以及CST的專有技術PBA。

 

二、速度

速度與精度兩者相輔相成,無論問題是電大尺寸還電小尺寸、寬帶還是窄帶,CST STUDIO SUITE®中的完備求解器均能夠對各類簡單及複雜的問題進行高效地模擬。高性能計算(HPC)與優化能進一步擴展了求解器的各項功能;透過完備的求解技術,CST為所有電磁問題提供適用的解決方案。

高頻
  • .時域求解器-一般用途。
  • .頻域求解器-一般用途
  • .積分方程求解器-電大結構、雷達散射截面積 (RCS)。
  • .高頻漸進求解器-裝載性能、RCS。
  • .本征模求解器-諧振腔體。
  • .多層平面求解器-平面結構。
  • .2D濾波器模塊-RF濾波器分析與綜合。
  • .三維濾波器模塊-交叉耦合濾波器分析與綜合。
  • .綜合任務-使用多求解器進行混合模擬。
 
低頻
  • .靜電與靜磁求解器-快速靜態模擬。
  • .穩恆電流求解器-直流應用。
  • .低頻時域求解器-非線性材料,瞬態效應。
  • .低頻頻域求解器-渦流,位移電流。
  • .系統模擬-多域和狀況空間模擬。
 
EDA
  • .PEEC求解器-局部等效電路提取。
  • .傳輸線求解器-信號完整性。
  • .FEFD求解器-電源完整性。
  • .CST規格檢查(BOARDCHECK)-PCB上的電磁兼容(EMC)與信號完整性(SI)。
 
粒子動力學
  • .粒子追蹤求解器-低能粒子、電子槍。
  • .自洽互作用(PIC)求解器-高能粒子、RF器件。
  • .尾場求解器-加速器組件。
 
多物理場
  • .熱傳解器-電磁加熱、生物熱傳導、電子冷卻。
  • .結構應力求解器-熱膨脹、熱變形。
 
EMC
  • .傳輸線矩陣(TLM)求解器-一般用途、EMC。
  • .CST電纜工作室-線束模擬。
  • .射頻干擾模塊-RF干擾分析。
  • .規則檢查-PCB上的電磁兼容和信號完整性。

圖8、使用時域感測器模擬WI-FI無線在公車內的電場分佈。

 


圖9、使用MLFMM積分方程求解器模擬低增益天線的輻射方向圖,
能清晰地顯示出來自高增益天線的遮擋。

 

高效能計算和雲計算

CST提供大量基於硬體的模擬加速選項,例如多線程並行、硬體加速、MPI集群計算和分布式計算。這些加速選項可用於提高模擬速度、模擬更大型、更複雜的模型,或是將任務在網路或集群的多個節點上進行分配。這些高性能計算(HPC)方法幾乎可用於所有類型的應用和硬件配置,從獨立單台工作室到企業級集群均可使用。


圖10、CST STUDIO SUITE®中提供的部分HPC組合都能通過本地硬件或通過雲計算進行訪問。
不同的求解器支持不同的HPC方法。

 

CST STUDIO SUITE®中的優化器

即使是在最簡單的器件中,影響器件性能的變量數量也可以大得驚人。優化功能可自動運行調適這些變量過程,最終實現找到一組滿足設計要求的值。所有CST STUDIO SUITE®模塊中內嵌的優化器均可用於任何參數優化,包括模型的幾何結構;材料的屬性和激勵的波形。

局部 全局
  • .信賴域法。
  • .Nelder-Mead單純形法。
  • .插值準牛頓法。
  • .經典鮑威爾法。
  • .遺傳算法。
  • .粒子群算法。
  • .協方差矩陣自適應進化策略法(CMA-ES)。

圖11、一個微帶天線陣列被優化用於改善WLAN階段內的傳輸性能,優化前(左)和優化後(右)。

 

三、易用性

由於CST STUDIO SUITE®提供了如此眾多的功能,因此需要的時候能找到恰當的工具至關重要。為幫助用戶順利完成模擬流程,CST STUDIO SUITE®提供按用戶需求設置模擬環境的功能,包括建模、模擬和後處理整個工作流程,並為流程每一步自動顯示適合的選項。

CST投入了大量的研發時間用以改善用戶軟體使用體驗。包括工作流程導向功能區界面、用於多種設計流程的導入和導出工具,以及系統裝配和建模(SAM)功能。SAM能將複雜系統或工作流細分為較簡單的部分並進行自動化模擬。


圖12、用戶界面幫助簡化模型的設置與模擬,例如這個雷擊模擬。

 

CAD和EDA導入

多種類型的導入/匯出轉介面,使得CST能與 CAD工具輕鬆地交換幾何資料,導入的結構可修改、可參數化,進一步地可用於優化和設計研究。

支持的格式包括:

CAD EDA
  • .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 NXTM™
  • .三維生物體數據(Biological voxel data)
  • .ODB++
  • .IPC-2581
  • .Zuken CR5000/CR8000
  • .GDSII
  • .SPICE
  • .Touchstone
  • .單層和多層Gerber
  • .Mentor Graphics® Expedition™
  • .Mentor Graphics Board Station®
  • .Mentor Graphics HyperLynx®
  • .Cadence® Allegro® PCB Designer
  • .Cadence SiP Digital Layout
  • .Agilent ADS®
  • .AWR Microwave Office®
  • .Synopsis® HSpice,Saber
  • .Sonnet®
  • .Harness Description List
  • .Cadence Virtuoso®
  • .Si2 OpenAccess

結構和電磁聯合模擬

SIMULIA提供的模擬工具支援眾多設計與製造領域,如下圖實例中的智慧手錶,由一個含觸控式螢幕的核心模組和錶帶中的數個附加模組組成,模組間通過柔性連接器連接。設計中存在多個結構效應和電磁效應相互作用的部分,包括指壓螢幕造成的變形以及連接頭的穩健性和信號完整性。

            
圖13、左-聯合設計:CST-SIMULIA智能手錶。 中-容器矩陣:CST靜電求解器。
右-螢幕應力:Abaqus/Standard。

 

濾波器

濾波器設計與優化是CST STUDIO SUITE®的一大應用,套裝軟體含一整套工具用於濾波器設計流程中的每一個步驟,包括初始綜合、精細調試、熱分析和故障分析。為幫助工程師找到合適的濾波器類型並綜合成一個初始設計,CST STUDIO SUITE®提供了用於腔體濾波器、交叉耦合濾波器和雙工濾波器的三維濾波器模組(FD3D),和用於平面濾波器的平面濾波器模組(FD2D)。這些模組能用於為濾波器創建電路級模型和3D模型,以便開展進一步模擬。FD3D中的耦合矩陣提取為精細調試3D濾波器結構提供了一個高效途徑。

      
圖14、左-Filter Designer 3D:在FD3D中設計的一款多模腔體濾波。
右-Filter Designer 2D:F D2 D中設計的平面低通濾波器。

 

陣列模擬

通過將多個單元結合起來形成陣列,工程師能獲得比單個天線性能優異得多的天線陣列。在正確的激勵下,陣列能用於形成和控制波束,從而讓陣列具備掃描環境或跟蹤移動接收器的能力。從單天線設計到包含饋線和天線罩在內的完整天線陣系統,CST STUDIO SUITE®能用於研發各類小型和大型天線陣列。


圖15、通信陣列模擬:設計相控陣的階段,從天線單元(左)開始,
經過陣列佈局和天線罩設計(中),到最終裝載後性能評估(右)。

 

求解器耦合和混合模擬

CST STUDIO SUITE®內的模擬能夠以多種方式進行耦合,從具有真正的時域場路聯合模擬功能的電路級模擬、到諸如電纜求解器等的混合求解器、直至3D模擬內的場源耦合,不一而足。這就是說模擬可以混合進行,從而能在一個問題裡結合多種求解器類型的優勢完成模擬。例如圖16。

圖16、汽車上的靜電放電。
汽車底盤:在相關頻率上屬於電大問題,有精細的細節和大量的未佔據空間。理想適用於傳輸線矩陣(TLM)求解器。   線束:複雜結構,儘管非常細窄, 但是很長。理想適用於CST電纜工作室。   雙向混合電纜模擬:能在模型中的 一個位置將場耦合到電纜並傳導到另一個位置,從而明確耦合路徑。

 

系統裝配與建模(SAM)

系統裝配與建模(SAM)能簡化CST STUDIO SUITE®內的模擬專案管理。一個設備可能由一個以上的元件構成,每個元件可能都有不同的最佳求解方法,或是需要多個級聯在一起的模擬和處理階段才能得到使用者所需的資料。SAM為開展完整系統的模擬和優化提供了一個架構,先逐個對元件使用混合和多物理場方法,然後對裝配完成後的設備進行系統模擬和優化。


圖17、系統裝配:一個裸衛星基座,標注有天線佈置定位點和天線類型選擇。

 


圖18、系統建模:使用SAM,元件能夠組合成單個模型,或是使用場源耦合加以級聯,用於混合模擬。