CST场路联合仿真案例：外加偏置的电磁散射调控

写在前面：时域场路联合仿真技术应用很广，但涉及的内容和细节很多，要想仿的准需要用户有一定的数值算法基础和仿真经验积累。本文结合CST2019讲解了场路联合仿真的关键步骤和设置方法，同时配有15分钟视频讲解（见下期）和工程文件分享。

一、仿真概述

（1）软件版本
Release Version 2019.07 （CST2019-SP7）,CST微波工作室（MWS）+设计工作室（DS）。

（2）仿真配置
仿真频率范围为0-1GHz，网格剖分密度为1/20波长，仿真区域背景材料为空气，外围设置吸波边界条件（open addspace）。

（3）建模求解
仿真包含一个平面波激励，一个外加电压源激励，25个二极管以及剩余的金属和介质部分。具体来说集总加载结构包含25个的周期单元，单个周期单元大小6cm*6cm，每个单元包含金属贴片（黄色）和单个二极管（蓝色），周期单元阵列上下边界设置馈线，由+X方向的外加偏置电压源（红色）控制所有二极管的导通与截止，-Z边界处设置平面波激励。

为对比二极管通断前后透射过周期阵列的电磁波，在阵列轴向+Z方向设置系列探针，记录不同偏置状态下电场瞬态值。

二、重点讲解

（1）集总器件建模与设置
从有限时域差分算法实现上来讲，全波仿真中集总器件与离散端口设置其实是等效的，只是功能不同而已。CST目前支持两种集总器件建模：一是细线状器件，选取空间任意两点，然后构建Lumped Network Element；另一种是薄片状器件，选择空间两条短横线（俗称edge），然后构建Lumped Network Face Element。相比之下，第二种建模更加灵活，通用型更强，特别适合需要考虑器件寄生效应的场合。

此外需要指出的是，集总器件定义对话框type选项卡中有spice circuit选项，方便用户时域仿真加载非线性器件，这是CST2019版本的一个亮点。

（2）场路联合激励建模与设置（关键）
首先，切换到CST-MWS界面（点击3D视图），菜单栏点击平面波激励，设置平面波的极化类型、电场以及传播方向。平面波激励的信号类型由导航栏激励信号（Excitation signals）指定，可以新建信号并设置成默认，这里设置为500MHz连续波。

然后，按照类似集总器件建模的方式，构建基于面电流的离散端口激励（Discrete Port），这里需要指出的是，端口类型有三种，这里无需指定，因为MWS和DS联合仿真时该选项无效（或说被DS设置自动覆盖）。

接下来，切换到CST-DS界面（点击Schematic视图），添加外部端口（External Port，黄色图标），连接至原理图中的全波仿真模块的输出端口；新建瞬态仿真任务，设置仿真时间长度Tmax，电路求解器选择CST transient co-simulation，这样设置的目的是指定DS为主求解器，调用MWS辅助仿真，两者交互的接口就是离散端口，交互的数据就是离散端口处的电压和电流。

最后，进一步设置DS外部端口激励参数，选中导航栏Tasks-Trans1，左下角Task Parameter List中就会出现端口设置，选择自定义激励信号，弹出对话框。这里为了控制二极管通断，故选择脉冲序列电压源（Pulse Sequence），不难发现，这里源的类型与MWS中离散端口的类型具有对应性，因此MWS中离散端口参数设置会被自动忽略。

至此，我们分别定义了场和路的信号波形以及激励方式，场路联合仿真设置基本完成，但是还存在一个问题，DS调用MWS仿真时只定义了端口的激励，没有明确指定平面波激励，为此，我们需要返回到MWS界面，然后菜单栏点击求解器设置（Setup Solver），勾选平面波激励叠加选项（Supperimpose plane wave excitation），这样才能保证仿真启动后场路信号同时激励。

上述设置完毕后，在DS界面中启动仿真（Update），即可进行真实的时域场路联合仿真。这里分别给出了上述结构在有无外加偏置条件下的电压和电场响应。可以发现，外加偏置确实改变了器件的状态和电磁结构的散射特性。

三、注意事项

（1）如果集总器件为简单的RLC或者理想PN结，建议使用内建模型，即集总器件对话框中type类型中选择RLC或者Diode 选项，直接在选项卡中填写器件参数，这样CST无需调用外部电路求解器，仿真精度和可靠性会更高。但是如果集总器件等效电路较为复杂，定义为SPICE子电路会更加方便，CST求解时自动调用外部的SPICE电路求解器进行仿真，电路模型过于复杂时求解可能不稳定。

（2）不难发现，CST-MWS界面也可以指定平面波和离散端口的联合激励，但是两种激励的信号波形由导航栏的激励信号（Excitation signals）唯一指定，无法独立更改，所以此处需要借助DS独立定义离散端口的波形。如果用户不需要外加偏置，也即仿真无源集总加载设计时，仅仅利用MWS就够了，不需要MWS界面和DS界面来回切换。

（3）MWS和DS两个工作室设计的目的不同，仿真流程和逻辑不同，因此很难兼容场路联合仿真时所有参数。为此需要用户多多阅读帮助文档，了解算法层面的相关知识，在参数定义不明确的情况下，可以通过仿真测试进行明确。简单来说，遇到模凌两可的情况，谁是主求解器谁说了算。

（4）场路联合仿真结束后，DS界面中可以查看部分电路响应，MWS界面可以查看更多数据，数据末尾的命名会自动添加[cosim Tran*]，对应为场路联合仿真产生的数据。

注：受限于文章篇幅，仅仅介绍相关要点，对于CST基础建模操作不熟的朋友可以查阅：CST微波工作室仿真快速入门。

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来源：有点小用吧（公众号useful4you）