SIMULIA CST Studio Suite - описание вычислителей

Высокочастотные вычислители (ранее входили в состав продукта CST Microwave Studio)

Асимптотический вычислитель (Asymptotic Solver, сокращенное название A)

Асимптотический вычислитель предназначен для получения ЭПР электрически крупных объектов с применением методов геометрической теории дифракции и физической оптики (англ., shooting and bouncing rays, SBR). При таком решении распространение электромагнитной волны осуществляется на уровне лучей, что значительно упрощает моделирование задач размером много большим длины волны. Вычислитель применим для случаев, в которых другие методы численного моделирования не способны обработать рассчитываемый объект.

Области применения:

- Расчет однопозиционной и двухпозиционной ЭПР электрически крупных объектов;

- Моделирование параметров антенн, расположенных на электрически крупных объектах;

- Визуализация областей затенения и точек максимального рассеяния.

Вычислитель собственных мод (Eigenmode solver, сокращенное обозначение E)

Данный модуль используется для поиска собственных видов колебаний (мод) замкнутых структур, у которых отсутствуют источники электромагнитного поля. Моделирование осуществляется методом конечных элементов (FEM) с дискретизацией гексагональными или тетрагональными элементами разбиения. Вычислитель выполняет расчет первых N мод с соответствующими распределениями электромагнитного поля. Модуль используется для получения электродинамических характеристик высокочастотных узлов ускорительной техники (резонаторы, ЛБВ, магнетроны и т.д.), а также для анализа собственных параметров ячеек фильтров.

Инструмент синтеза планарных фильтров (Filter Designer 2D, сокращенное название FD2D)

Продукт предназначен для быстрого синтеза планарных фильтров с использованием аналитических моделей описания. Формирование топологии реализуется согласно установленным проектным требованиям в виде рабочей полосы, порядка фильтра, расположения нулей передачи и технологии изготовления. Продуктом поддерживается реализация фильтров Бесселя, Баттерворта, Чебышева (1, 2 порядка) и эллиптического. После завершения описания Filter Designer 2D рассчитывает параметры топологии и частотную характеристику. Модуль полностью интегрирован в оболочку CST STUDIO SUITE, что позволяет экспортировать модель далее для анализа методами трехмерного электродинамического моделирования и получения результатов в корпусе, с учетом взаимной связи и др. эффектов.

Инструмент синтеза резонаторных фильтров (Filter Designer 3D, сокращенное название FD3D)

Модуль Filter Designer (3D) предназначен для синтеза характеристик резонаторных фильтров. Изначально пользователем устанавливаются проектные требования в виде порядка фильтра, рабочей характеристики, а также положения нулей передачи. Согласно указанной спецификации генерируется список возможных топологий размещения резонаторов. После выбора подходящей конфигурации продукт автоматически вычисляет матрицу коэффициентов связи фильтра. В дальнейшем данная матрица может использоваться в качестве целевой функции при оптимизации модели фильтра, а также для настройки характеристик изготовленного устройства.

Вычислитель в частотной области (Frequency Domain solver, сокращенное обозначение F)

Вычислитель выполняет расчет трехмерной электродинамической задачи методом конечных элементов (FEM). Моделирование осуществляется на определенных частотных точках, а для получения полного спектра используется свипирование по частоте. Дискретизация расчетной области может выполняться как гексагональными, так и тетрагональными элементами объемного разбиения. В общем и целом вычислитель в частотной области универсален, т.е. применим для решения широкого класса задач. При этом необходимо отметить, что анализ электрически малых / высокорезонансных / узкополосных задач будет выполняться частотным вычислителем с максимальной эффективностью.

Результаты моделирования вычислителя в частотной области

— Получение параметров матрицы рассеяния

— Получение распределений поля в ближней зоне на установленных частотах

— Расчет диаграмм направленности антенн и ЭПР

— Поддержка мод Флоке средствами граничных условий Unit Cell с регулировкой фазового сдвига

Интегральный вычислитель (Integral Equation solver, сокращенное название I)

Интегральный вычислительный модуль выполняет решение трехмерной электромагнитной задачи в частотной области методом моментов (MoM). Дискретизация модели осуществляется средствами поверхностного сеточного разбиения, по причине чего данный модуль рекомендован для анализа электрически крупных задач, моделирование которых методами с объемной дискретизацией расчетной области будет менее эффективно. Интегральный вычислитель применяется для расчета параметров антенн на носителе, вычислению развязки межу источниками и получению ЭПР. Модулем также поддерживается анализ характеристических мод антенн.

Вычислитель многослойных структур (Multilayer solver, сокращенное название M)

Вычислитель многослойных структур предназначен для проведения планарного 3D моделирования методом моментов. Модуль выполняет автоматическое генерирование стека слоев и построение поверхностного сеточного разбиения. Вычислитель используется для расчета планарных антенн, фильтров, микрополосковых устройств, а также для анализа характеристических мод антенн.

Вычислитель во временной области (Time domain solver, сокращенное обозначение T)

Вычислитель во временной области моделирует распространение ЭМ поля во времени и в пространстве. С его помощью рассчитывается передача энергии между портами или другими источниками возбуждения и/или свободным пространством. Временной солвер подходит для моделирования большинства ВЧ задач: коннекторов, полосковых линий, антенн т.д., позволяя получить результаты во всем частотном диапазоне за один вычислительный цикл средствами преобразования Фурье.

На самом деле в системе доступно два временных вычислителя:

- Вычислитель переходных процессов Transient solver, основанный на технике конечного интегрирования Finite Integration Technique (FIT)

- TLM вычислитель Transmission Line Method (TLM), основанный на методе матриц линий передач.

Временной вычислитель (Transient Solver)

Временной вычислитель основан на технике конечного интегрирования Finite Integration Technique (FIT). Моделирование ЭМ поля выполняется с использованием пошаговой схемы с перешагиванием. Доказано, что такой метод моделирования остается устойчивым в том случае, когда используемый шаг не превышает определенного предела. Величина указанного максимального временного шага напрямую связана с минимальным шагом сетки, используемой для дискретизации пространства. Поэтому, чем плотнее сеточное разбиение, тем меньше используемый временной шаг.

Для повышения эффективности вычислителя используются передовые методы аппроксимации модели: технология Perfect Boundary Approximation (PBA), применимая в случае дискретизации любых криволинейных поверхностей, а также Thin Sheet Technique (TST), используемая для моделирования тонких слоев, напылений. Указанные техники позволяют избежать высокой детализации сеточного разбиения и, следовательно, сокращению времени моделирования. Результатом становится эффективное использование памяти, а также устойчивое гексагональное сеточное разбиения крайне сложных геометрий.

Работа временного вычислителя:

1. Модель возбуждается широкополосным сигналом во временной области (гауссовкий импульс).

2. Рассчитывается отклик структуры во временной области (выходной сигнал во временной области).

3. Для получения результатов в исследуемом частотном диапазоне автоматически выполняется дискретное преобразование Фурье для временных сигналов.

TLM вычислитель

Вычислитель с использованием матрицы линий передач (Transmission Line Matrix TLM) выполняет анализ во временной области, основанный на гексагональном сеточном разбиении. Доступные вычислителем специальные компактные модели щелей, зазоров, стыков, отверстий и т.д., а также технология сеточного построения на базе октодерева делают его незаменимым в случае решения задач электромагнитной совместимости, излучения и устойчивости. Также следует отметить, что TLM солвер поддерживает множество возможностей временного Transient вычислителя, и поэтому разделяет с ним ряд общих классов задач.

Временными вычислителями покрывается широкий класс задач:

— Получение параметров матрицы рассеяния

— Получение распределений электромагнитного поля для различных частот

— Получение диаграмм направленностей и параметров антенн

— Анализ сигналов: время нарастания, перекрестные помехи и т.д., включая получение SPICE цепей

— Расчет рефлектометрии во временной области

— Получение ЭПР

— Поддержка дисперсных материалов

Hybrid Solver Task

Низкочастотные вычислители (ранее входили в состав продукта CST EM Studio)

Статический вычислитель (Static solver, сокращенное название S)

Вычислитель электростатики (Electrostatic solver, сокращенное название ES)

Модуль решения задач электростатики служит для моделирования распределений векторов напряженности и индукции статического электрического поля. Вычислителем поддерживаются следующие формы источников поля: фиксированные, плавающие (заряд равен нулю) или градиентные потенциалы, граничные потенциалы, заряды на идеально проводящих объектах, а также равномерное объемное и поверхностное распределение зарядов. Для пользователя доступен расчет на этапе постобработки емкостной матрицы группы источников, действующей силы и крутящего момента.

Экстракция емкостной матрицы на примере расчета сенсора.

Вычислитель магнитостатики (Magnetostatic solver, сокращенное название MS)

Магнитостатический солвер применяется для расчета векторов напряженности и индукции статического магнитного поля. В роли источников могут выступать линии тока, катушки с током, постоянные магниты, сторонние однородные магнитные поля, а также распределения токов, полученные вычислителем стационарных токов. Для учета нелинейных свойств материала в магнитостатическом вычислителе предусмотрен итерационный метод расчета распределения магнитной проницаемости.

Учет насыщения ярма квадрупольного магнита. На рисунке представлен 2D и 3D режим моделирования.

Вычислитель стационарных токов (Stationary Current solver, сокращенное название JS)

Вычислитель стационарных токов используется для моделирования плотности токов проводимости и соответствующей им напряженности электрического поля. В роли источников могут выступать порты тока, линии тока, потенциалы и граничные потенциалы. Солвер нацелен на проведение конечно-элементного анализа сопротивления по постоянному току, а также на вычисление падений напряжения (IR Drop) внутри плат питания и плотности тока автоматов прерывания цепи.

Низкочастотный вычислитель (Low Frequency solver, сокращенное название LF)

Низкочастотный вычислитель в частотной области предназначен для моделирования гармонических процессов электромагнитной задачи. Солвер поддерживает три возможных способа аппроксимации задачи:

Квази-магнитостатический	Пренебрежение током смещения в теореме о циркуляции магнитного поля.
Квази-электростатический	Пренебрежение изменением потока магнитного поля в законе Фарадея.
Полноволновый	Учет всех временных зависимостей, однако, такой способ, как правило, требует больших затрат времени.

Current density plot clearly showing the Skin and proximity effect

Моделирование вихревых токов и скин-слоя для группы витков.

Низкочастотный вычислитель во временной области предназначен для проведения электромагнитного временного моделирования, в котором могут быть применимы квази-статические аппроксимации без значительного снижения точности результатов.

Вычислитель поддерживает две схемы дискретизации по времени: постоянную и адаптивную. Последний тип автоматически регулирует величину временного шага для оптимального расчета низкочастотной задачи, руководствуясь точностью результатов, установленной пользователем.

Функционал позволяет рассматривать одно из следующих приближений: квази-магнитостатическое (MQS) и квази-электростатическое (EQS). Первый способ предназначен для задач моделирования объектов с высокой проводимостью, в которых длина волны значительно превышает размер анализируемой области и существует возможность пренебрежения емкостными эффектами. В таких случаях изменение магнитной энергии значительно превышает изменение электрической.

Квази-электростатическое моделирование во временной области пренебрегает изменением плотности потока магнитного поля в процессе решения закона Фарадея. Консервативное поведение такого приближения позволяет вычислять электрическое поле через функцию скалярного потенциала, что снижает количество неизвестных в решаемой системе уравнений. Такое приближение используется для расчета узлов ввода высокого напряжения или изоляторов.

В случае 2D или 3D квази-магнитостатического временного анализа доступна возможность получения параметров эквивалентной схемы, представленной в форме модели пространства состояний и описывающей физическое поведение полей. Данный инструмент широко используется для экспорта в системные проектировщики моделей пониженного порядка электрических машин и актуаторов.

Пример использования технологии скользящей сетки при моделировании электрической машины.

Мульфизические вычислители (ранее входили в состав продукта CST MPhysic Studio)

Тепловой вычислитель (сокращенное название TH)

Моделирование тепловых процессов в CST STUDIO SUITE может быть решено средствами стационарного вычислителя (Thermal Steady State Solver), высчислитепля переходных тепловых процессов (Thermal Transient Solver) и вычислителя переноса тепла (Conjugate Heat Transfer Solver, CHT). Как правило, они используются для получения распределения температуры внутри электрических устройств: токопроводящих шин, электрических машин и трансформаторов, а также при моделировании высокочастотного и индукционного нагревов. Источники тепла могут быть заданы напрямую или через потери электромагнитной энергии. В процессе моделирования солвером учитываются эффекты теплопроводности, конвекции и излучения. Переходный тепловой вычислитель позволяет рассчитать нагрев или охлаждение структуры в зависимости от времени. Следует отметить, что указанный вычислитель применим для моделирования нагрева биологических тканей.

Механический вычислитель (Structural Mechanics solver, сокращенное название SM)

Механический вычислитель Structural Mechanics Solver предназначен для анализа деформаций, вызванных:

- термическим нагревом, полученным из теплового вычислителя,

- действием силы Лоренца на стенки резонаторов, получаемой из анализа собственных мод, или плотности сил из магнитостатического анализа.

Примером использования механического вычислителя может послужить расстройка ВЧ фильтра высокой мощности, вызванная тепловыми потерями в стенках структуры. Также применим в случае расчета механических нагрузок на проводники сильноточных шин.

Вычислители динамикии элементарных частиц (ранее входили в состав продукта CST Particle Studio)

Вычислитель трекинга (Particle Tracking вычислитель, сокращенное название TRK)

Вычислитель трекинга (TRK вычислитель) выполняет моделирование траектории заряженных частиц в электро-/магнитостатических полях или собственных модах, используя схему пошагового обновления импульса и координаты:

Изменение импульса:

Аналитическое выражение

Дискретизированное выражение

Изменение координаты:

Аналитическое выражение

Дискретизированное выражение

Учет влияния пространственного заряда пучка выполняется с использованием опции Gun Iteration.

TRK — вычислителем поддерживается несколько моделей эмиссии частиц:

— Фиксированная
— Ограниченная пространственным зарядом
— Тепловая
— Автоэлектронная
— также поддерживается вторичная электронная эмиссия.

К результатам моделирования TRK вычислителем относятся значения тока пучка, эмиттанса, первианса, а также данные о соударении частиц с элементами ускоряющего тракта. Дополнительную информацию (например, картину огибающей пучка) можно получить с использованием мощных инструментов постобработки.

Particle-In-Cell вычислитель (сокращенное название PIC)

Более сложным инструментом CST PS является Particle-In-Cell (PIC) вычислитель, предназначенный для моделирования самосогласованной задачи распространения электромагнитных полей и заряженных частиц во временной области с конечным временным шагом. При этом электромагнитные поля вычисляются в дискретных узлах по схеме с перешагиванием, тогда как частицы движутся в непрерывном фазовом пространстве. Доказано, что данная схема получения электромагнитных полей будет оставаться устойчивой, если временной шаг, необходимый для интегрирования, не превысит установленного предела. Величина максимального временного шага напрямую зависит от минимального шага сеточного разбиения, используемого для дискретизации модели; поэтому, чем плотнее сетка разбиения – тем меньше подходящий временной шаг. Но следует отметить, что данное условие устойчивости не применимо для схемы моделирования движения частиц.

Поскольку алгоритм Particle-In-Cell является самосогласованным, необходимо выполнять постоянную интерполяцию полей для описания движения частиц и интерполяцию токов для получения распределения поля. Обе интерполяционные схемы относятся к классу линейных.

Поддержка различных типов эмиссии заряженных частиц (например, DC эмиссия, последовательность гауссовских сгустков, полевая эмиссия и пользовательская) позволяет создавать практически любой источник. Моделирование динамики частиц может выполняться в электростатических, магнитостатических, собственных модах, бегущих волнах, а также в полях, заданных пользователем.

Единая среда проектирования CST STUDIO SUITE позволяет использовать инструменты EM моделирования, дополняющие возможности PIC вычислителя:

— Доступно использование волноводных портов для получения выходных сигналов

— Поддерживается моделирование дисперсных материалов, металлов с потерями и т.д.

— Поддерживаются мощные инструменты постобработки

Вычислитель наведенных полей (Wakefield вычислитель, сокращенное название WAK)

Вычислитель наведенных полей (WAK вычислитель) предназначен для получения и дальнейшего анализа кильватерных полей, создаваемых сгустками заряженных частиц в камерах резонатора. Для этого структура возбуждается импульсом тока с продольным гауссовым распределением заряда, в результате чего наводятся электромагнитные поля, рассчитываемые во временной области.

Полученные результаты WAK вычислителя приводятся в виде значений наведенного потенциала, коэффициента потерь энергии и импеданса связи.

Единая среда проектирования CST Studio Suite позволяет использовать инструменты EM моделирования, дополняющие возможности вычислителя наведенных полей:

— Доступно использование волноводных портов для получения выходных сигналов

— Для записи распределений электромагнитного поля применяются мониторы

— Также доступно моделирование дисперсных материалов с потерями для реализации потерь наведенных полей в стенках резонатора

EMC и EDA вычислители (ранее входили в продукты CST PCB Studio, CST Boardcheck и CST Cable Studio)

Вычислители анализа печатных плат (PCB solvers, сокращенное название PCB)

Метод построения частичных эквивалентных схем (PEEC-вычислитель)

Для однослойных или двухслойных печатных плат, работающих в низком или среднем диапазоне частот, наиболее оптимальным способом моделирования будет метод построения частичных эквивалентных схем (Partial Element Equivalent Circuit PEEC). Принцип его работы основан на построении эквивалентных SPICE моделей выделенных цепей, путем сегментирования их на отдельные участки. Для каждого участка производится расчет погонных сопротивлений, индуктивностей, емкостей и проводимостей, а также эквивалентных элементов магнитной или электрической связи между проводниками. Указанный метод используется либо самостоятельно для расчета эквивалентной схемы, либо в составе вычислителя падений напряжения IR-Drop.

Voltage distribution at 1.8 volt power plane.

Расчет падений напряжения IR-Drop вычислителем

Вычислитель методом построения эквивалентных линий передач (Transmission Line Solver)

В случае анализа целостности сигнала на высокоскоростных многослойных печатных платах рекомендуется использовать метод замещения модели линиями передачи. Данная техника автоматически разделяет проводники платы вдоль их длины на участки однородного сечения и для каждого из них рассчитывает все необходимые параметры линии передачи. Затем получившиеся участки интегрируются в иерархическую финальную модель, которая будет учитывать все паразитные электромагнитные явления: время запаздывания, отражения и поперечные помехи в многоканальных передающих линиях или шинах. Учет скин-эффекта и диэлектрических потерь выполняется одинаково точно как во временной, так и в частотной области. Указанный метод активируется как самостоятельно, так и посредством вычислителей SI-TD, SI-FD.

а) до оптимизации

б) после оптимизации

Оптимизация целостности сигнала: значительное снижение уровня всплеска.

Вычислитель методом конечных элементов в частотной области (3DFEFD)

Работа вычислителя 3DFEFD основана на частотном методе конечных элементов с применением декомпозиции расчетной области. Базис метода образуют специальные функции, оптимизированные для работы с планарными структурами. Данный вычислитель главным образом ориентирован на моделирование целостности цепей питания в составе высокоскоростных печатных плат. Проводники в таких случаях представлены не в форме тонких линий передач, а в виде широких проводящих областей. По этой причине в вычислителе отсутствует возможность выбора цепей для исследования, и моделирование выполняется на уровне всех проводящих участков, входящих в состав проекта. 3DFEFD−солвер используется как самостоятельно, так и в составе PI (Power Integrity) вычислителя.

Следует добавить, что в CST PCB STUDIO доступен инструмент оптимизации числа и положения развязывающих конденсаторов (decap tool), используемых для подавления шумов цепей питания. В процессе настройки импеданса используется 3DFEFD−вычислитель, что позволяет точно учитывать как паразитные индуктивности и сопротивления – источники шумов, так и переходные отверстия.

Пример оптимизации импеданса цепи питания

Вычислитель Rule Check (сокращенное название RCK)

Модуль позволяет выполнять импорт проектов печатных плат, выполненных в различных системах проектирования, и выявлять в них возможные проблемы электромагнитной совместимости по набору заданных ограничений.

С ростом скоростей передачи данных, уменьшением габаритов и усложнением топологий современных печатных плат и интегральных устройств обеспечение электромагнитной совместимости (EMC), целостности сигналов (SI) и целостности цепей питания (PI) становится достаточно сложной задачей. Пакет CST STUDIO SUITE имеет специальный набор инструментов, призванный помочь инженерам проектировать, анализировать и улучшать характеристики топологий печатных плат.

Эти инструменты позволяют очень быстро оценить характеристики топологии и получить такие параметры, как падение напряжения и импеданс цепи распределения питания, искажения формы сигналов в сигнальных цепях, а также автоматически оптимизировать размещение развязывающих конденсаторов.

Два вычислительных модуля Rule Check EMC (REMC) и Rule Check SI (RSI) работают на уровне DRC и позволяют автоматически выявить вероятные SI/PI и EMC проблемы. Топология может быть импортирована и конвертирована в сложную трехмерную структуру для полноволнового моделирования или представлена в виде эквивалентной схемы замещения для моделирования на уровне схемы. Это позволяет делать привычные лабораторные измерения, например, S-параметров, глазковых диаграмм, рефлектометрию во временной области (TDR) на базе виртуальных прототипов разрабатываемых устройств, чем существенно снизить стоимость и сроки проектирования.

Вычислитель кабельных систем (Cable Harness solver, сокращенное название CBL)

Модуль предназначен для моделирования EM эффектов в кабелях и позволяет оптимизировать вес и размер одиночных проводов, витых пар, а также сложных жгутов с неограниченным числом проводников. Программа позволяет оценивать напряжения в разных точках кабелей, токи через определенные проводники, S-параметры, импедансы, а также взаимные наводки проводников друг на друга.