CST工作室套装 | 电磁多物理仿真仿真软件

为什么进行仿真？

一次性设计成功是产品研发的理想境界。通过对虚拟样机进行电磁仿真能帮助您缩短设计迭代周期。仿真能够从开发的最初阶段让系统和组件在其所处的环境中进行分析与优化。这样能够加快设计流程，降低开发成本，加快市场投放速度。

为什么选择 CST 工作室套装？

CST 工作室套装®是用于设计、仿真和优化电磁系统的完备工具，被世界各地优异的技术和工程公司所广泛采用。CST ® 产品的三大支柱是精度、速度和易用性。

以上述三个概念为核心，CST 工作室套装在众多领域已得到工程师、设计师和研究人员的广泛使用，包括微波、RF 与光学、EDA 与电子、电磁兼容性 (EMC)、粒子动力学、静场和低频等领域。

易用性

用户界面友好

由于 CST 工作室套装提供了如此众多的功能，因此在需要的时候能找到恰当的工具至关重要。为帮助用户顺利完成仿真流程，CST 工作室套装提供按用户需求设置仿真环境的功能，包括建模、仿真和后处理整个工作流，并为流程每一步自动显示合适的选项。

图形用户界面使用选项卡功能区为设计流程的每一步呈现最相关的工具，而且它能根据应用自动完成配置。用户界面通用于 CST 工作室套装内的所有模块，为仿真工作流的各个步骤提供统一的环境。

CST 工作室套装中的工程向导让用户能够为仿真轻松地设置和配置工作空间，针对问题自动选择合适的单位、边界条件和求解器设置。设计的重复性意味着工程师常常发现他们反复运行同一类仿真，针对这一问题，可以使用向导存储和加载用户对某一问题的最佳解决方法经验定制的配置，从而实现更加个性化的工作流。

CAD 和 EDA 导入

多种类型的导入 / 导出转接口，使得 CST 能与CAD 工具轻松地交换几何数据，导入的结构可修改、可参数化，进一步地可用于优化和设计研究。SOLIDWORKS® 和 PTC Creo ™ (Pro/E)提供的模型能以完全参数化的格式导入，进一步提高了工作流的集成度。

导入和导出结构信息的能力是将仿真嵌入设计工作流的基础。从 EDA 工具导入特别容易产生小间隙和小边缘结构，导致不必要地增大仿真模型的复杂度。为解决这些间隙和边缘结构问题，CST 工作室套装内置了强大的结构清理程序和自动修复功能。这些功能与高可靠的网格划分器结合使用，使得 CST 对于即便品质非常差的CAD 数据也能开展高效的仿真。

CST 提供了 CST 芯片界面来满足对集成电路设计的特殊要求。这个模块通过导入二维的芯片布局文件和集成电路芯片生产工艺文件来生成真实的三维芯片模型。

支持的格式包括

CAD

■ 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 NX ™

■ 三维生物体数据 (Biological voxel data)

EDA

■ ODB++

■ IPC-2581

■ Zuken CR5000/CR8000

■ GDSII

■ SPICE

■ Touchstone

■ 单层和多层 Gerber

■ Mentor Graphics® Expedition ™

■ Mentor Graphics Board Station®

■ Mentor Graphics HyperLynx®

■ Cadence® Allegro® PCB Designer

■ Cadence Allegro Package Designer

■ Cadence SiP Digital Layout

■ Agilent ADS®

■ AWR Microwave Office®

■ Synopsis® HSpice, Saber

■ Sonnet®

■ Harness Description List

■ Cadence Virtuoso®

■ Si2 OpenAccess

导入数据 : 金属框架和电路板都导入 CST 工作室套装进行 EMC 分析。通过仿真，富士施乐的工程师能在构建雏形前就预估了电磁兼容问题。

工作流集成

CST始终专注于三维电磁仿真软件的研发，同时提供与其它业界领先厂商工具的直接的、简单易用的接口，进一步整合了所有可用的专业技术知识，持续为用户提供领先的设计工具和方法途径。

面向各种 EDA 工具和 RF 电路 / 系统仿真器的专业接口让不同环境下的功能得到统一并被充分运用。强大的基于 VBA、兼容 OLE 的宏语言能实现与 MATLAB® 或 MS Excel® 等程序的直接通信。此外，CST工作室套装还能通过联合仿真提取芯片 – 封装 -PCB 内各通道的 HSPICE 模型，然后传递给 Synopsis®HSPICE® 开展仿真与分析。

CST 工作室套装是更广阔生态系统的一个重要组成部分，为许多其他仿真和设计工具提供了链接接口。众多工作流都得到专业软件工具的有效补充，例如用于天线分析的 Antenna Magus®、用于匹配电路优化的Optenni Lab ™、用于 RF 击穿分析的 SPARK3D、用于波导组件综合的 FEST3D 和用于宏建模的 IdEM。这些产品能将接口内嵌到 CST 工作室套装界面内，并通过 CST 渠道进行销售与支持。

集成工作流：在设计这个智能设备项目时（左下），Antenna Magus® 被用来设计天线（左上），OptenniLab ™被用来综合匹配电路（右上），CST 工作室套装被用来计算天线被安装在不同位置时候的性能表现。

结构和电磁联合仿真

自 2016 年 10 月起 CST 就已成为达索系统SIMULIA 家族的一份子。SIMULIA 提供的仿真工具支持众多设计与制造领域。该智能手表项目体现了仿真在现代电子产品开发中众多不同应用中的一部分，同时体现了如何将 CST 工作室套装与其他仿真工具结合，既能大幅度加快设计流程，又能有效降低测试需求。

本实例中的智能手表由一个含触摸屏的核心模块和表带中的数个附加模块组成，模块间通过柔性连接器连接。设计中存在多个结构效应和电磁效应相互作用的部分，包括指压屏幕造成的变形以及连接头的鲁棒性和信号完整性。

滤波器

滤波器设计与优化是 CST 工作室套装的一大应用，软件包含一整套工具用于滤波器设计流程中的每一个步骤，包括初始综合、精细调试、热分析和故障分析。

滤波器设计的起点是设计规格要求。这些设计要求一般不仅包括通带和阻带频率，还包括传输和反射零点、通带波动和品质因数，以及预算、空间和热需求。设计师面临的第一个挑战是选择一种既能满足约束条件又能满足各项要求的滤波器拓扑。为帮助工程师找到合适的滤波器类型并综合成一个初始设计，CST 工作室套装提供了用于腔体滤波器、交叉耦合滤波器和双工滤波器的三维滤波器模块(FD3D)，和用于平面滤波器的平面滤波器模块 (FD2D)。这些模块能用于为滤波器创建电路级模型和 3D 模型，以便开展进一步仿真。FD3D 中的耦合矩阵提取为精细调试 3D 滤波器结构提供了一个高效途径。

由于材料属性、耦合和连接器影响等效应，真实滤波器的性能与理想的数学模型略有不同。使用 CST 工作室套装仿真不仅能仿真这些效应，还能通过优化降低它们的影响。强大的优化器（见第 12 页）和高速频域求解器能高效地调试设计中的大量参数。动网格优化可大幅度减轻调试极敏感滤波器时发生的“网格噪声”，从而更快速、更准确地调试滤波器。

滤波器在使用过程中，电磁损耗会导致它发热膨胀。多物理场仿真）将电磁仿真与热和力学仿真相结合，能在制造原型之前分析滤波器的热失谐。此外，通过链接 CST 自洽互作用 (PIC) 求解器和SPARK3D，可对二级电子倍增效应和射频击穿进行仿真（电晕）。

阵列仿真

通过将多个单元结合起来形成阵列，工程师能获得比单个天线性能优异得多的天线阵列。在正确的激励下，阵列能用于形成和控制波束，从而让阵列具备扫描环境或跟踪移动接收器的能力。从单天线设计到包含馈线和天线罩在内的完整天线阵系统，CST 工作室套装能用于研发各类小型和大型天线阵列。

MIMO（多输入、多输出）是一种在移动通信中广泛使用的技术，能充分利用多径传播的优势，改善复杂环境中的接收性能，其构成了智能认知天线的基础。

CST工作室套装为MIMO天线提供计算性能指标的专用功能工具包，例如计算多路复用效率和包络相关系数。

对大型阵列，相控阵设计向导能显著简化阵列设计流程。首先仿真单个天线的性能以计算和优化方向图和阻抗，然后自动创建完整天线阵列模型，通过对天线阵的仿真将边缘效应和各单元之间的互耦考虑在内。通过与 Antenna Magus 中阵列综合工具的链接可以帮助用户为他们的阵列找到合适的布局与激励。

求解器耦合和混合仿真

每种仿真方法都有其自身的优势，每种优势都特别适用于特定类型的问题。但是众多现实系统并不严格地属于某一种类型，而是跨越了不同工程领域。为仿真这些系统，CST 工作室套装内的仿真能以多种方式进行耦合，从具有真正的时域场路联合仿真功能的电路级仿真，到诸如电缆求解器等的混合求解器，直至 3D仿真内的场源耦合，不一而足。这就是说仿真可以混合进行，从而能在一个问题里结合多种求解器类型的优势完成仿真。

系统装配与建模 (SAM)

系统装配与建模 (SAM) 能简化 CST 工作室套装内的仿真项目管理。一个设备可能由一个以上的组件构成，每个组件可能都有不同的最佳求解方法，或是需要多个级联在一起的仿真和处理阶段才能得到用户所需的数据。SAM 为开展完整系统的仿真和优化提供了一个架构，先逐个对组件使用混合和多物理场方法，然后对装配完成后的设备进行系统仿真和优化。

在 SAM 中系统以原理图方式加以描述。在最简单的情况下，用单个模块表达一个参数化 3D 模型。用户通过设置仿真任务来定义待执行的计算，这样就可以级联仿真任务并将一个仿真任务生成的数据传递到下一仿真。例如，一个滤波器的电磁分析可以后接一个热仿真，然后是机械形变仿真，最后这一几何结构形变可在另一电磁仿真中用于研究失谐效应。所有仿真和级联都能在 SAM 内轻松地进行定义，以实现真正的多物理场工作流。

通过增加原理图中的模型数量，用户能够创建一个完整 3D 系统，并使用 SAM 定义各组件间的装配组合及位置关系。仿真任务可定义为包含单个组件或任意多个组件组合，用户能够指定对每个组件应使用哪些求解器和哪些高性能计算选项。将不同复杂程度的仿真结合在一起有助于降低准确仿真一个完整复杂模型所需的计算工作量。如果需要，SAM 还能让用户使用场源级联仿真任务，或是在全 3D 环境中创建和仿真整个系统。