CST微波工作室仿真快速入门

先讲讲CST由来的小故事：CST全称Computer Simulation Technology，是德国教授Prof. Dr.-Ing. Thomas Weiland的杰作，他博士二年级提出了CST核心算法有限积分技术（Finite Integration Technique －FIT，1977年发表：[1] Weiland T. Eine methode zur Lösung der Maxwellschen Gleichungen für sechskomponentige felder auf diskreter basis[J]. AE U, 1977, 31(3): 116-120.），第三年就从达姆施塔特工业大学 (Technische Universität Darmstadt)博士毕业了。

博士毕业后，他先后在德国、美国、日本等多个学校和研究所任职，积累了丰富的科研学术资本后于1979年回到母校，当上了电磁场理论研究所（Theorie Elektromagnetischer Felder）的老大，3年后（博士毕业12年），开了三维电磁仿真软件公司，起名CST (德语Computer-Simulationstechnik)。如今经过了二十多年的发展， CST在电磁仿真领域占据了绝对的统治地位，并于2016年成功被法国达索系统(Dassault Systemes)公司以2.2亿欧元收购，Thomas Weiland教授最终成为名副其实的人生赢家（此处有掌声）。

(1) 算法介绍
 

CST软件包含的仿真产品很多，这里仅已微波工作室（MWS）为例进行介绍。与时域有限差分（FDTD）不同，MWS核心算法FIT是对Maxwell积分方程进行离散处理，然而在直角坐标下，FIT与FDTD算法却是等效的[2]，因此可以参照FDTD方法的理解来学习FIT算法。

    具体来说，首先将计算区域分割成一些列的小立方块，在每个立方块的棱边中心进行电场强度E(x,y,z,t)采样、立方块的面中心进行磁场强度H(x,y,z,t)采样（空间离散）。如果区域离散足够小，积分方程可近似表达成离散求和的形式，这样方程就可以改写为矩阵形式（注意变量时间偏微分暂时以点帽表示，变量上方加点）。

接下来进行时间采样，与FDTD一样，将时间偏微分进行差分：对电场强度E和磁感应强度B进行等时间间隔采样，但E和B采样时间点交错半个时间步。对于剩余变量电位移D和磁场强度H则采用本构关系进行表示。
最后，将空间离散和时间采样综合在一起，实现的效果是：指定计算区域空间场的初始状态、电磁激励源以及边界条件，算法可以交替算出电场磁场在各个时间步的值。

这里需要着重指出的是，无论是FIT还是FDTD，时空离散采样是关键！试想一下，如果电场和磁场空间采样位于同一位置、时间采样位于同一时刻，那么离散后的方程组求解将变得异常困难（无解析表达形式，且未知量N多）。而采用时空交错采样的方式，俗称蛙跳式(Leap frog algorithm)，离散后的方程组经过简单整理，可直接迭代求解，且方便大规模并行计算。
   

(2) 仿真流程
 

   总的来说，CST微波工作室仿真流程可分为六步：

1. 初始设置

    主要是设置时间/长度单位、背景填充，例如，设置m为长度单位，GHz为频率单位，背景为自由空间。

2. 建立模型
    CST建模种类齐全、功能完善、操作简单，除了能绘制简单的立方体、球、圆柱、圆锥等模型以外，还可以根据用户的需求进行大量的几何变化，例如拉伸、镂空、平移、组合等等，还支持参数化建模以及外界CAD模型导入。

3. 定义激励
    对于时域仿真，一般是通过一个宽带高斯脉冲激励，然后得到仿真对象的宽带电磁散射特性，为此需要先设置频率范围，然后设置激励样式，主要包括空间场激励（平面波、近场）和电路激励（波导、离散端口）。

4. 设定边界
    由于计算机内存和计算速度有限，必须对仿真区域进行截断，一般有电场、磁场和吸波三种边界条件。其中电场边界为切向电场为零，磁场边界为切向磁场为零，吸波边界为电磁波传输无反射，一般通过理想匹配层（PML）实现。

5. 设置监视
    由于FIT仿真过程中会产生大量的中间变量，如果全部保存，一方面会耗费大量内存，另一方面会降低计算速度，为此根据后处理需要，仅保留有用的计算结果。例如需要观察某一横截面的电场分布，那么计算过程中会把该横截面每个时间步的电场值记录下来，而不必保留全空间的每时刻电场值。

先讲讲CST由来的小故事：CST全称Computer Simulation Technology，是德国教授Prof. Dr.-Ing. Thomas Weiland的杰作，他博士二年级提出了CST核心算法有限积分技术（Finite Integration Technique －FIT，1977年发表：[1] Weiland T. Eine methode zur Lösung der Maxwellschen Gleichungen für sechskomponentige felder auf diskreter basis[J]. AE U, 1977, 31(3): 116-120.），第三年就从达姆施塔特工业大学 (Technische Universität Darmstadt)博士毕业了。

博士毕业后，他先后在德国、美国、日本等多个学校和研究所任职，积累了丰富的科研学术资本后于1979年回到母校，当上了电磁场理论研究所（Theorie Elektromagnetischer Felder）的老大，3年后（博士毕业12年），开了三维电磁仿真软件公司，起名CST (德语Computer-Simulationstechnik)。如今经过了二十多年的发展， CST在电磁仿真领域占据了绝对的统治地位，并于2016年成功被法国达索系统(Dassault Systemes)公司以2.2亿欧元收购，Thomas Weiland教授最终成为名副其实的人生赢家（此处有掌声）。

(1) 算法介绍
 

CST软件包含的仿真产品很多，这里仅已微波工作室（MWS）为例进行介绍。与时域有限差分（FDTD）不同，MWS核心算法FIT是对Maxwell积分方程进行离散处理，然而在直角坐标下，FIT与FDTD算法却是等效的[2]，因此可以参照FDTD方法的理解来学习FIT算法。

    具体来说，首先将计算区域分割成一些列的小立方块，在每个立方块的棱边中心进行电场强度E(x,y,z,t)采样、立方块的面中心进行磁场强度H(x,y,z,t)采样（空间离散）。如果区域离散足够小，积分方程可近似表达成离散求和的形式，这样方程就可以改写为矩阵形式（注意变量时间偏微分暂时以点帽表示，变量上方加点）。

接下来进行时间采样，与FDTD一样，将时间偏微分进行差分：对电场强度E和磁感应强度B进行等时间间隔采样，但E和B采样时间点交错半个时间步。对于剩余变量电位移D和磁场强度H则采用本构关系进行表示。
最后，将空间离散和时间采样综合在一起，实现的效果是：指定计算区域空间场的初始状态、电磁激励源以及边界条件，算法可以交替算出电场磁场在各个时间步的值。

这里需要着重指出的是，无论是FIT还是FDTD，时空离散采样是关键！试想一下，如果电场和磁场空间采样位于同一位置、时间采样位于同一时刻，那么离散后的方程组求解将变得异常困难（无解析表达形式，且未知量N多）。而采用时空交错采样的方式，俗称蛙跳式(Leap frog algorithm)，离散后的方程组经过简单整理，可直接迭代求解，且方便大规模并行计算。
   

(2) 仿真流程
 

   总的来说，CST微波工作室仿真流程可分为六步：

1. 初始设置

    主要是设置时间/长度单位、背景填充，例如，设置m为长度单位，GHz为频率单位，背景为自由空间。

2. 建立模型
    CST建模种类齐全、功能完善、操作简单，除了能绘制简单的立方体、球、圆柱、圆锥等模型以外，还可以根据用户的需求进行大量的几何变化，例如拉伸、镂空、平移、组合等等，还支持参数化建模以及外界CAD模型导入。

3. 定义激励
    对于时域仿真，一般是通过一个宽带高斯脉冲激励，然后得到仿真对象的宽带电磁散射特性，为此需要先设置频率范围，然后设置激励样式，主要包括空间场激励（平面波、近场）和电路激励（波导、离散端口）。

4. 设定边界
    由于计算机内存和计算速度有限，必须对仿真区域进行截断，一般有电场、磁场和吸波三种边界条件。其中电场边界为切向电场为零，磁场边界为切向磁场为零，吸波边界为电磁波传输无反射，一般通过理想匹配层（PML）实现。

5. 设置监视
    由于FIT仿真过程中会产生大量的中间变量，如果全部保存，一方面会耗费大量内存，另一方面会降低计算速度，为此根据后处理需要，仅保留有用的计算结果。例如需要观察某一横截面的电场分布，那么计算过程中会把该横截面每个时间步的电场值记录下来，而不必保留全空间的每时刻电场值。

申明：网友回复良莠不齐，仅供参考。如需专业帮助，请学习业界专家讲授的天线设计视频培训教程。