1、復雜電磁環(huán)境中準確仿真的重要性

隨著(zhù)信息革命推動(dòng)電子系統的日益復雜化，多功能組件的尺寸不斷縮小，電路、封裝和系統層面的復雜性也隨之增加。更高的集成電路速度、數據速率和更密集的配置加劇了與電源完整性、信號完整性和電磁兼容性/干擾（EMC/EMI）相關(guān)的問(wèn)題。這種日益增加的復雜性，加上電磁頻譜的日益擁擠，凸顯了仿真這些復雜條件的重要性。例如，現代戰場(chǎng)呈現出一個(gè)高度復雜的電磁環(huán)境，使得在這種條件下準確仿真系統性能成為國防和航空航天工程的關(guān)鍵方面。

CST Studio Suite 作為領(lǐng)先的高性能 3D 電磁分析軟件包，提供了一套全面的工具，旨在應對復雜電磁環(huán)境仿真的多方面挑戰。其集成的設計環(huán)境和多樣化的求解器模塊為工程師和研究人員提供了建模、仿真和分析整個(gè)頻譜范圍內電磁現象的能力。凱思軟件工程公司作為國內領(lǐng)先的電磁仿真解決方案提供商，不僅深度整合CST等國際工具，更針對中國用戶(hù)的特殊需求提供定制化開(kāi)發(fā)與技術(shù)支持，助力用戶(hù)高效應對仿真挑戰。結合凱思軟件在CST studio suite的實(shí)際應用經(jīng)驗，本文將深入分析 CST Studio Suite 的技術(shù)和方法，以準確應對復雜電磁環(huán)境仿真的挑戰。

2、復雜電磁環(huán)境仿真的關(guān)鍵挑戰

仿真復雜電磁環(huán)境面臨諸多挑戰。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )物理系統設計復雜性的增加，其特征是更小的尺寸和更高的工作頻率，導致電源完整性、信號完整性和 EMC/EMI 問(wèn)題的加劇。電磁仿真對于解決這些設計挑戰至關(guān)重要，但其本質(zhì)上是資源密集型的，通常需要將整體設計分割成較小的部分進(jìn)行分析，這可能會(huì )引入設計周期的風(fēng)險。連接器的加入進(jìn)一步增加了分析的復雜性，因為高頻效應的影響。傳統的工程工作流程通常涉及跨多個(gè)軟件工具的設計和仿真，每個(gè)工具都有不同的用戶(hù)界面和產(chǎn)品設計數據庫，從而增加了設計錯誤的可能性，并使設計變更的追溯成為主要挑戰。

無(wú)線(xiàn)和異構連接需求的增加要求強大的電磁仿真，以防止設備之間的干擾。對于先進(jìn)武器的電磁頻譜建模和仿真尤其具有挑戰性，因為這些武器依賴(lài)于復雜的電磁攻擊和反擊能力，從而創(chuàng )建了一個(gè)極其混亂和復雜的電磁環(huán)境。當前的計算建模和仿真工作必須在合理的時(shí)間范圍內有效應對環(huán)境的非線(xiàn)性、規模和復雜性，提供對資源可變性和任務(wù)風(fēng)險決策具有認知意義的結果。

例如，在汽車(chē)行業(yè)，設計師和工程師面臨著(zhù)為天線(xiàn)找到最佳位置的挑戰，同時(shí)還需要考慮電磁干擾、機械約束、計算流體動(dòng)力學(xué)和造型問(wèn)題。車(chē)輛中日益增加的連接需求使得在設計過(guò)程的早期解決這些復雜性變得至關(guān)重要。此外，必須仔細控制共安裝系統之間的干擾，以避免一個(gè)天線(xiàn)的輻射場(chǎng)干擾其他基于天線(xiàn)的系統。安全方面的問(wèn)題也源于高功率發(fā)射天線(xiàn)在周?chē)鷧^域產(chǎn)生的強電磁場(chǎng)，可能危及人員、彈藥和燃料。準確仿真這些多樣化的場(chǎng)景需要能夠處理大規模、多尺度和高頻效應的復雜工具。

3、CST Studio Suite 用于電磁仿真的核心技術(shù)和方法

3.1. CST Studio Suite 的集成設計環(huán)境和求解器模塊概述

CST Studio Suite 是一套全面的電磁仿真軟件模塊，集成在一個(gè)直觀(guān)的用戶(hù)界面中。這種集成環(huán)境簡(jiǎn)化了設計、分析和優(yōu)化電磁組件和系統的工作流程，覆蓋了從靜態(tài)到光學(xué)的廣泛頻率范圍。該套件中的關(guān)鍵模塊包括：CST Microwave Studio（CST MWS），專(zhuān)注于高頻組件的 3D 電磁仿真；CST EM Studio，用于靜態(tài)和低頻設備仿真；CST Particle Studio，用于分析三維電磁場(chǎng)中的帶電粒子動(dòng)力學(xué)；CST Cable Studio，用于電纜束的信號完整性和 EMC/EMI 分析；CST PCB Studio，專(zhuān)注于印刷電路板的信號和電源完整性以及 EMC/EMI 分析；以及 CST MPhysics Studio，用于分析電磁場(chǎng)的熱和機械效應。

圖1 CST高頻時(shí)域分析

圖2 CST多物理場(chǎng)分析

CST Studio Suite 的核心是其多樣化的求解器模塊，每個(gè)模塊都采用不同的數值方法，針對特定的電磁問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。這些方法包括有限元法（FEM）、有限積分技術(shù)（FIT）、傳輸線(xiàn)矩陣（TLM）法、矩量法（MoM）、多級快速多極子法（MLFMM）和邊界射線(xiàn)追蹤法（SBR）。這種“完整技術(shù)”方法使用戶(hù)能夠為其特定應用選擇最合適的求解器，甚至可以在同一界面中使用不同方法交叉驗證仿真結果。

3.2. 準確性、速度和易用性的重視

CST Studio Suite 的開(kāi)發(fā)遵循三個(gè)核心原則：準確性、速度和易用性。該軟件經(jīng)過(guò)持續開(kāi)發(fā)，其求解器經(jīng)過(guò)數十年的研究，以確保電磁場(chǎng)的計算既準確又高效。為了增強易用性，CST Studio Suite 具有用戶(hù)友好的界面，采用面向工作流程的帶狀 GUI，以及全面的導入和導出工具，便于與各種 CAD 和 EDA 設計流程無(wú)縫集成。此外，系統組裝和建模（SAM）的引入簡(jiǎn)化了復雜仿真項目的管理，使工程師能夠直觀(guān)地構建電磁系統并管理復雜的仿真工作流程。這種對準確性、速度和易用性的重視反映了為用戶(hù)和應用程序提供強大且易于使用的仿真工具的承諾。

4、CST 中用于解決電磁問(wèn)題的關(guān)鍵算法的深入分析

4.1. 有限元法（FEM）

有限元法（FEM）是 CST Studio Suite 中用于分析電磁問(wèn)題的通用數值技術(shù)，主要在頻域求解器中使用。它在頻域中運行，假設時(shí)間諧波場(chǎng)，求解麥克斯韋方程。FEM 特別適用于涉及小型到中型模型、諧振結構和多端口系統（如連接器和陣列）的高頻應用。為了準確建模復雜幾何形狀，CST 在其 FEM 求解器中使用自適應四面體網(wǎng)格劃分，在電磁場(chǎng)快速變化的區域細化網(wǎng)格。此外，使用高階元素（包括彎曲四面體）提高了求解的準確性。對于模擬高諧振、無(wú)損耗結構（如濾波器），頻域求解器結合了模型降階（MOR）功能，顯著(zhù)加速了 S 參數的計算。這使得 FEM 成為對復雜電磁組件進(jìn)行詳細頻率分析的強大工具。

4.2. 有限差分時(shí)域法（FDTD）

有限差分時(shí)域法（FDTD）是一種廣泛應用于復雜介質(zhì)中電磁場(chǎng)全波分析的時(shí)域技術(shù)，在 CST Studio Suite 中通過(guò)時(shí)域求解器實(shí)現。該方法通過(guò)在交錯網(wǎng)格（稱(chēng)為 Yee 網(wǎng)格）上離散空間和時(shí)間，求解時(shí)域形式的麥克斯韋方程。在 CST Studio Suite 中，時(shí)域求解器包括有限積分技術(shù)（FIT）和傳輸線(xiàn)矩陣（TLM）法。FDTD 非常靈活，特別適用于寬帶仿真、分析瞬態(tài)效應（如靜電放電和雷擊）以及模擬復雜的 3D 電子設備。它適用于中型到大型模型和具有復雜細節的應用程序。CST 中 FDTD 的一個(gè)關(guān)鍵增強功能是完美邊界近似（PBA），它允許在立方網(wǎng)格單元內對彎曲表面進(jìn)行非常好的近似，克服了結構化網(wǎng)格的傳統限制。

4.3. 矩量法（MoM）

矩量法（MoM）是 CST Studio Suite 中用于分析電大尺寸結構的強大 3D 全波求解器。它基于矩量法技術(shù)，通常與多級快速多極子法（MLFMM）結合使用，以加速特別大模型的計算，而不會(huì )顯著(zhù)損失準確性。MoM 是一種表面積分技術(shù)，與全體積方法（如 FEM 和 FDTD）相比，在模擬具有大量空白空間的模型時(shí)效率更高，例如在天線(xiàn)安裝性能分析和散射問(wèn)題中。CST Studio Suite 還包括一個(gè)專(zhuān)門(mén)的多層求解器，基于 MoM 技術(shù)，優(yōu)化用于模擬平面微波結構（如 MMIC、饋電網(wǎng)絡(luò )和平面天線(xiàn)）。積分方程求解器（MoM 與 MLFMM）和多層求解器都包括特征模式分析（CMA）功能，用于計算結構支持的自然諧振模式。

4.4. 其他相關(guān)求解器

CST Studio Suite 提供了一套全面的其他專(zhuān)用求解器，以應對廣泛的電磁問(wèn)題?；谏渚€(xiàn)追蹤技術(shù)（如邊界射線(xiàn)追蹤法）的漸近求解器特別適用于分析極大型結構，其中不需要全波求解。特征模求解器用于計算封閉結構（如腔體和濾波器）的諧振頻率和相應的電磁場(chǎng)模式。對于涉及不同尺度或需要不同求解器強度的復雜仿真，混合求解器任務(wù)允許用戶(hù)鏈接和組合時(shí)域、頻域、積分方程和漸近求解器。此外，CST 提供了一套用于分析靜態(tài)和低頻應用的低頻求解器，包括靜電、靜磁、穩態(tài)電流、低頻頻域和低頻時(shí)域求解器。對于分析電磁場(chǎng)與自由移動(dòng)電荷的相互作用，CST 提供了專(zhuān)門(mén)的粒子求解器。最后，對于電磁場(chǎng)與其他物理現象相互作用的場(chǎng)景，CST 提供了能夠處理電磁、熱和機械耦合仿真的多物理場(chǎng)求解器。

5、探索 CST 中復雜幾何形狀和材料屬性的建模能力

5.1. 表示復雜幾何形狀的技術(shù)

CST Studio Suite 具有強大且完全參數化的 CAD 界面，為用戶(hù)提供了一個(gè)直觀(guān)的環(huán)境來(lái)構建和編輯復雜的仿真模型。該軟件支持從各種 CAD 和電子設計自動(dòng)化（EDA）軟件包無(wú)縫導入和導出模型。值得注意的是，CST 與 SOLIDWORKS 提供了完全參數化的雙向鏈接，允許在任一軟件中進(jìn)行的更改直接反映在另一個(gè)軟件中，從而簡(jiǎn)化了設計和仿真工作流程。為了在六面體網(wǎng)格上準確表示復雜的曲面，CST 使用了其專(zhuān)有的完美邊界近似（PBA）技術(shù)。此外，為了簡(jiǎn)化復雜模型并聚焦于特定區域，CST 提供了“填充周?chē)臻g”和“分離形狀”等工具。這些功能共同提供了一套強大的能力，用于處理現實(shí)世界電磁環(huán)境仿真中常見(jiàn)的復雜幾何形狀。

5.2. 準確建模多樣化的材料屬性

準確仿真電磁環(huán)境需要精確表示材料屬性。CST Studio Suite 通過(guò)包含一個(gè)全面的材料模型庫來(lái)滿(mǎn)足這一需求，該庫能夠模擬廣泛的電磁現象，包括與磁學(xué)、光子學(xué)和生物物理學(xué)相關(guān)的效應。該軟件支持各種材料類(lèi)型，包括線(xiàn)性、非線(xiàn)性、頻率依賴(lài)性和溫度依賴(lài)性材料，從而能夠準確建模復雜的材料行為。對于涉及人體的應用，特別是在醫療和生命科學(xué)領(lǐng)域，CST 包括基于體素和 CAD 的人體模型，具有詳細的內部分結構和現實(shí)的電磁和熱屬性，便于準確分析設備性能和安全。用戶(hù)還可以靈活地定義新材料，并輸入特定的材料參數，如介電常數、磁導率和電導率，既可以作為固定值，也可以使用公式表示頻率依賴(lài)性屬性。

6、使用 CST 克服復雜電磁環(huán)境仿真挑戰的詳細步驟

6.1. 處理大規模問(wèn)題

在 CST Studio Suite 中應對大規模電磁仿真涉及戰略性地選擇求解器并利用高性能計算資源。對于電大尺寸結構，其中物理尺寸為多個(gè)波長(cháng)，漸近求解器和積分方程求解器（MoM 與 MLFMM）特別有效，因為它們的計算效率高于體積方法。CST Studio Suite 還通過(guò)多線(xiàn)程支持高性能計算（HPC），允許仿真利用工作站上的多個(gè) CPU 核心。此外，它支持某些求解器的 GPU 加速，顯著(zhù)減少了非常大規模模型的仿真時(shí)間。對于更大的計算能力，CST 提供了云計算選項，允許用戶(hù)利用云的可擴展資源來(lái)加速仿真，特別是在持續和突發(fā)計算需求的情況下。

6.2. 應對多尺度結構

在 CST Studio Suite 中，使用混合求解器任務(wù)可以高效地處理具有多個(gè)長(cháng)度尺度特征的結構。這一強大功能允許工程師在單個(gè)仿真項目中鏈接不同的求解器，例如用于精細細節的時(shí)域求解器和用于大型結構的積分方程求解器。這允許為仿真域的不同部分優(yōu)化網(wǎng)格劃分和求解器設置，從而提高準確性和計算效率。例如，模擬安裝在大型飛機上的小天線(xiàn)可以通過(guò)使用時(shí)域求解器分析天線(xiàn)，并使用積分方程求解器分析飛機結構，通過(guò)混合求解器任務(wù)鏈接來(lái)實(shí)現。

6.3. 管理高頻效應

CST Studio Suite 提供了一系列專(zhuān)門(mén)的求解器和技術(shù)，用于準確管理高頻電磁效應。時(shí)域求解器（通過(guò)其 FIT 和 TLM 實(shí)現）非常適合寬帶和瞬態(tài)高頻分析，而頻域求解器（FEM）則適用于分析諧振結構和窄帶高頻應用。在高頻下，適當的網(wǎng)格劃分策略至關(guān)重要，CST 提供了自適應網(wǎng)格劃分功能，可以在高場(chǎng)梯度區域自動(dòng)細化網(wǎng)格，確保準確的結果。完美邊界近似（PBA）進(jìn)一步幫助準確建模彎曲幾何形狀，這是高頻應用中的常見(jiàn)問(wèn)題，通過(guò)在六面體網(wǎng)格上提供精確表示。

6.4. 優(yōu)化技術(shù)

CST Studio Suite 集成了全面的局部和全局優(yōu)化算法，使工程師能夠自動(dòng)改進(jìn)在復雜電磁環(huán)境中運行的設計性能。這些優(yōu)化器可以與所有求解器一起使用，以?xún)?yōu)化模型的任何設計參數，如幾何尺寸或材料屬性?？捎玫奶囟▋?yōu)化算法包括協(xié)方差矩陣適應進(jìn)化策略（CMA-ES）、信任區域框架（TRF）、遺傳算法、粒子群優(yōu)化、Nelder Mead 單純形算法和插值擬牛頓法。通過(guò)參數化仿真模型，工程師可以進(jìn)行設備行為的研究，并利用這些優(yōu)化例程實(shí)現所需的性能目標。

7、展示 CST的有效性：復雜電磁環(huán)境中的案例研究和應用說(shuō)明

CST Studio Suite 已在各個(gè)行業(yè)廣泛采用，以應對復雜電磁環(huán)境仿真的挑戰。在航空航天領(lǐng)域，它用于分析飛機上安裝的天線(xiàn)性能、評估 EMI 屏蔽效能以及確定機身的雷達截面。汽車(chē)行業(yè)利用 CST 優(yōu)化車(chē)輛上的天線(xiàn)放置、分析電纜束的 EMC、模擬汽車(chē)雷達系統以及開(kāi)發(fā)車(chē)輛到一切（V2X）通信技術(shù)。在電信領(lǐng)域，CST 對于設計和優(yōu)化 5G 網(wǎng)絡(luò )的 MIMO 天線(xiàn)陣列至關(guān)重要，確保在密集信號環(huán)境中的最佳性能。醫療設備行業(yè)使用 CST 分析 MRI 系統的安全性、評估植入物與電磁場(chǎng)的相互作用以及設計可穿戴醫療設備。此外，CST 廣泛用于各種電子設備和系統的 EMC/EMI 分析，以確保符合法規并防止干擾問(wèn)題。CST 中的系統組裝和建模（SAM）框架簡(jiǎn)化了由多個(gè)單獨組件組成的整個(gè)設備的分析，使工程師能夠在復雜的系統級場(chǎng)景中模擬和優(yōu)化其性能。

8、CST 技術(shù)中的最新進(jìn)展和新功能，以提高復雜電磁環(huán)境仿真的準確性

CST Studio Suite 不斷發(fā)展，最近推出了專(zhuān)門(mén)用于增強復雜電磁環(huán)境仿真準確性和效率的新功能。最近的更新包括求解器技術(shù)的顯著(zhù)改進(jìn)，例如頻域求解器和域分解求解器的內存效率和速度提升，特別有利于模擬大型天線(xiàn)陣列。MIMO 和相控天線(xiàn)陣列的設計工作流程得到了改進(jìn)，新增了順序執行的激勵列表和域分解功能。在 EMC 仿真領(lǐng)域，引入了新的向導和項目模板以簡(jiǎn)化工作流程，同時(shí)改進(jìn)了頻域求解器的采樣方案和電纜仿真能力。在 EDA 和 PCB 仿真方面，最近的進(jìn)展包括對 IPC-2581-C 的支持、改進(jìn)的 CAD 導入功能以及用于先進(jìn) PCB 的增強網(wǎng)格劃分算法。低頻仿真能力通過(guò)集成 Opera 靜磁求解器和改進(jìn)用于感應無(wú)線(xiàn)充電應用的 Litz 線(xiàn)建模得到了擴展。熱和多物理場(chǎng)仿真也取得了進(jìn)展，CHT 求解器現在支持與溫度監測器連接的時(shí)間變量氣流風(fēng)扇，并改進(jìn)了與 Abaqus 的結構分析耦合工作流程。此外，CST Studio Suite 與 3DEXPERIENCE 平臺的緊密集成實(shí)現了跨不同團隊和部門(mén)的高效協(xié)作，促進(jìn)了設計迭代和數據管理。增強的 Python 腳本功能允許對建模和后處理任務(wù)進(jìn)行更大的定制和自動(dòng)化。

9、比較分析：CST Studio Suite 與其他領(lǐng)先電磁仿真軟件包的方法

與 Ansys HFSS 和 Altair Feko 等其他領(lǐng)先電磁仿真軟件包相比，CST Studio Suite 的幾個(gè)關(guān)鍵差異和優(yōu)勢顯而易見(jiàn)。CST 通過(guò)在一個(gè)集成環(huán)境中提供一套全面的求解器而脫穎而出，使用戶(hù)能夠靈活選擇最適合其特定仿真需求的方法。雖然 HFSS 主要依賴(lài)有限元法，但 CST 提供了時(shí)域（FIT/TLM）、頻域（FEM）和積分方程（MoM/MLFMM）求解器等多種選擇。一些來(lái)源表明，HFSS 可能具有更快的 CPU 代碼，而 CST 在 GPU 加速方面表現更好。在用戶(hù)界面和易用性方面，CST 通常被認為比 HFSS 更友好，后者可能需要更多手動(dòng)配置來(lái)完成某些任務(wù)。HFSS 傳統上以其在天線(xiàn)設計和高頻仿真中的準確性而聞名。

與 Altair Feko 相比，后者在用于天線(xiàn)放置和大規模散射問(wèn)題的矩量法方面表現強勁，CST 則強調在寬帶和瞬態(tài)分析中表現出色的時(shí)域求解器，使其在 EMC/EMI 研究中特別有吸引力。盡管 Feko 的界面專(zhuān)注于天線(xiàn)和 RCS 應用，但 CST 提供了高度可視化的 CAD 集成體驗，這對跨多個(gè)學(xué)科工作的工程師非常有益。CST 的集成環(huán)境（所有求解器都在一個(gè)用戶(hù)界面中可用）與 Feko 的更為專(zhuān)業(yè)化的焦點(diǎn)形成對比。最終，選擇這些軟件包通常取決于具體的應用需求、用戶(hù)對軟件的熟悉程度以及可用的計算資源。然而，CST Studio Suite 的多樣性、全面的求解器組合以及用戶(hù)友好的界面使其成為應對各種復雜電磁環(huán)境仿真任務(wù)的有力競爭者。

表 1：CST 算法在不同仿真場(chǎng)景中的比較

表 2：CST Studio Suite 與 Ansys HFSS 和 Altair Feko 的比較

10、結論：利用 CST Studio Suite 的力量實(shí)現復雜電磁環(huán)境的準確高效仿真

CST Studio Suite 作為一個(gè)強大且多功能的工具，能夠準確高效地仿真復雜電磁環(huán)境。其全面的求解器組合，涵蓋時(shí)域、頻域以及專(zhuān)門(mén)針對電大尺寸結構和多尺度問(wèn)題的技術(shù)，使工程師和研究人員能夠應對各種挑戰。該軟件強大的建模能力，包括參數化 CAD 界面、PBA 技術(shù)和廣泛的材料庫，確保了復雜幾何形狀和多樣化材料屬性的高保真表示。通過(guò)戰略性地選擇適當的求解器、利用高性能計算資源并使用混合求解器任務(wù)，用戶(hù)可以有效地解決大規模和多尺度的仿真問(wèn)題。此外，CST 的高級網(wǎng)格劃分技術(shù)和專(zhuān)門(mén)的高頻求解器使得高頻效應的準確分析成為可能。集成的優(yōu)化工具允許系統化地探索設計和提升性能。在各個(gè)行業(yè)的眾多案例研究和應用說(shuō)明證明了 CST Studio Suite 在現實(shí)場(chǎng)景中的有效性。持續的進(jìn)步以及與 3DEXPERIENCE 平臺的集成進(jìn)一步鞏固了 CST 作為應對電磁環(huán)境仿真復雜性的領(lǐng)先解決方案的地位，最終為電磁系統的設計、性能和可靠性的提升做出了貢獻。

CST Studio Suite是電磁仿真的國際標桿，而廣州凱思軟件工程公司作為其中國區戰略合作伙伴，通過(guò)技術(shù)增值與本地化服務(wù)，幫助用戶(hù)精準解決“卡脖子”問(wèn)題。無(wú)論是合規性適配、性能優(yōu)化，還是跨學(xué)科協(xié)同，凱思軟件均能提供“軟件+咨詢(xún)+定制”的一站式解決方案，助力中國企業(yè)在復雜電磁環(huán)境仿真中搶占技術(shù)制高點(diǎn)。