CST软件时间域仿真数值耗散过高的分析与修正方案

在利用CST Studio Suite进行瞬态（时间域）仿真时，工程师有时会遇到仿真结果中出现非物理的“数值耗散”现象。具体表现为：电磁波在传播过程中，其幅度非正常地衰减，脉冲波形发生畸变（如后沿拖尾），能量似乎被“吸收”了，但这并非由模型中的有耗材料或边界条件引起。这一问题在高精度、长传播距离或对波形保真度要求高的仿真中尤为突出。

本文将深入分析数值耗散的成因，并提供一套从基础到高级的系统性调参与修正方案。

一、 数值耗散的根源

数值耗散本质上是由于数值算法在离散化麦克斯韦方程组过程中引入的误差所致。CST瞬态求解器基于有限积分技术（FIT），其核心是将计算区域离散为网格，并使用显式的时间步进算法（如蛙跳法）。

主要成因包括：

1. 网格离散化误差：网格不够精细时，无法精确描述波传播方向上的场变化，特别是对于弯曲波前或高频分量。粗糙的网格会“平滑掉”场的细节，导致能量损失。

2. 算法本身的内在耗散：任何数值算法都有其固有的色散和耗散特性。当网格分辨率不足时，算法为了维持稳定性，会以牺牲精度为代价，引入数值耗散。

3. 网格类型的影响：CST中常用的四面体（Tetrahedral）网格在拟合复杂结构时非常灵活，但其数值误差通常大于六面体（Hexahedral）网格。因此，在同样网格密度下，使用四面体网格更容易出现数值耗散。

4. 传播方向与网格的夹角：当波传播方向与网格轴线不平行时，会引入更大的各向异性误差，加剧数值耗散。

二、 系统性调参与修正方案

解决数值耗散问题应遵循一个系统的流程，从最简单、最基础的设置开始调整。

方案一：基础优化——网格细化（最有效的方法）

这是解决数值耗散最直接、最有效的手段。核心思想是提高网格分辨率，减少离散化误差。

• 操作步骤：

  1. 导航至 Mesh View 查看当前自动生成的网格。

  2. 进入 Mesh Properties， 调整 Lines per wavelength（每波长网格数）。默认值通常为10-15，对于存在数值耗散的问题，可以逐步提高到 20、30 甚至更高。

  3. 对于关键区域（如波传播路径、天线附近），可以使用 Local Mesh Properties 进行局部加密。

• 优缺点：

  • 优点：效果显著，物理意义明确。

  • 缺点：极大地增加网格数量和计算时间。需要平衡精度与资源。

方案二：算法参数调整——优化求解器设置

CST瞬态求解器提供了高级参数来控制求解过程。

1. PBA（Perfect Boundary Approximation）设置：

   • 参数： Solver -> Specials -> Accuracy PBA

   • 说明：PBA技术用于更精确地模拟弯曲边界。默认设置为 Standard。对于包含曲面结构的模型，将其提高到 High 或 Very High 可以减少因阶梯近似带来的误差，从而间接改善数值耗散。

   • 注意：此设置主要影响边界处的精度，对均匀区域内的波传播改善有限。

2. TST（Thin Sheet Technique）设置：

   • 参数： Solver -> Specials -> Accuracy TST

   • 说明：如果模型中包含薄层（如PCB的铜箔），提高此参数可以更精确地计算薄层内的电流，避免因简化处理带来的能量损失。

方案三：网格类型选择——优先使用六面体网格

如果模型几何允许，应优先使用六面体网格。

• 操作步骤：

  1. 在创建网格时，选择 Hexahedral Mesher。

  2. 即使模型复杂，也可以尝试使用 Simulation -> Modeling -> De-embedding 或将其分解为几个规则部分，分别用六面体网格划分。

• 原理：六面体网格的数值各向异性误差远小于四面体网格，能显著降低数值耗散，在相同网格数量下提供更高的精度。

方案四：高级策略——改变建模与求解思路

当上述微调效果不佳或计算资源无法承受时，可以考虑以下策略：

1. 频域求解器验证：

   • 对于稳态问题（如S参数、远场方向图），可以使用CST的频域求解器进行对比验证。频域求解器基于不同的数值方法（MoM或FEM），通常数值耗散要小得多。通过对比瞬态和频域的结果，可以确认数值耗散的严重程度。

2. 模型简化与对称性利用：

   • 检查模型是否可以简化，例如使用对称边界条件（PEC/PMC）。这不仅能减少计算区域，还能使波传播方向更对齐网格轴线，减少误差。

   • 移除不必要的细节结构，这些结构可能会引起不必要的网格加密和数值误差。

3. 激发信号的选择：

   • 虽然数值耗散与激发信号频谱有关，但改变信号（如从高斯脉冲到正弦调制高斯脉冲）通常不是根本解决方法。关键在于网格能否解析信号中的最高有效频率分量。

三、 最佳实践流程总结

面对数值耗散问题，建议按以下顺序进行排查和解决：

1. 确认问题：观察端口信号或场监视器，确认能量衰减是数值原因而非物理原因（如未设置材料、边界条件错误）。

2. 初步网格加密：将全局的 Lines per wavelength 提升至 20 重新仿真，观察改善情况。

3. 优化算法参数：根据模型特点，适当提高 PBA 或 TST 的精度等级。

4. 切换网格类型：如果可能，尝试使用六面体网格进行对比。

5. 局部网格加密：在波传播的主要路径和关键器件周围进行局部加密。

6. 改变求解器验证：使用频域求解器进行交叉验证，以确定问题的边界。

7. 考虑模型重构：利用对称性，简化模型。

四、 结论

CST时间域仿真中的数值耗散是一个常见的数值误差问题，但其根源明确，解决方案系统。网格细化是解决问题的基石，而算法参数的优化和网格类型的正确选择则能起到事半功倍的效果。通过遵循上述系统性的调参流程，工程师可以有效地抑制数值耗散，获得更精确、更可靠的瞬态仿真结果，为高性能电子设备的设计提供有力支撑。