CST仿真設計理論與實踐
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CST 是目前應用最廣泛的電磁場仿真軟件之一，熟練掌握該軟件的建模和仿真技巧，是進入微波電路和天線相關領域的重要前提。本書將經(jīng)典理論與仿真軟件相結(jié)合，從IEEE 高引論文中選取結(jié)構(gòu)簡單且機理清晰的仿真實例，在仿真中融入微波電路理論和天線理論。本書內(nèi)容可分為兩部分：第一部分(第1～6 章)主要介紹軟件的基本功能，包括初識CST，建模操作，激勵端口、材料庫與邊界條件，求解器與求解設置，結(jié)果查看與數(shù)據(jù)后處理，優(yōu)化器與高性能計算等；第二部分(第7～13 章)主要介紹具體的仿真實例及相應的理論基礎，包括微波濾波器，微帶貼片天線設計，特征模仿真，終端天線設計，周期結(jié)構(gòu)仿真，散射場仿真，基于編程調(diào)用CST 的自動化建模與仿真等。
《CST仿真設計理論與實踐》的仿真實例將理論與工程應用緊密結(jié)合，針對不同研究方向全面講解了CST 的仿真技巧?！禖ST仿真設計理論與實踐》可作為高校電子通信類專業(yè)本科生和研究生的教學用書，也可作為無線通信、微波射頻和天線設計等領域技術人員的參考書籍。
目錄
第1 章 初識CST1
1.1 CST 界面與設計流程1
1.1.1 CST 導航界面1
1.1.2 CST 設計流程3
1.1.3 CST 工作界面概覽4
1.2 主菜單及工具欄4
1.2.1 File 選項卡4
1.2.2 Home 選項卡5
1.2.3 Modeling 選項卡5
1.2.4 Simulation 選項卡6
1.2.5 Post-Processing 選項卡7
1.2.6 View 選項卡7
1.3 子窗口8
1.3.1 Parameter List8
1.3.2 Progress 8
1.3.3 Messages8
1.3.4 Result Navigator 9
1.3.5 Navigation Tree 9
1.4 思考題9
第2 章 建模操作10
2.1 基本形狀創(chuàng)建 10
2.1.1 創(chuàng)建一個“方體” 10
2.1.2 創(chuàng)建其他基本形狀 12
2.2 選取工具 12
2.2.1 選取工具介紹 13
2.2.2 利用選取工具創(chuàng)建曲面 14
2.3 視圖工具 15
2.3.1 視圖選項 15
2.3.2 顯示/隱藏形狀 16
2.3.3 矩形選取 17
2.3.4 標注尺寸規(guī)格 18
2.4 工作坐標系 19
2.5 布爾操作 22
2.6 曲線工具 23
2.6.1 創(chuàng)建2D/3D 曲線 23
2.6.2 曲線工具(I) 24
2.6.3 曲線工具(II) 28
2.7 變換工具 30
2.7.1 變換操作 30
2.7.2 空殼操作 31
2.7.3 對齊操作 33
2.8 高級創(chuàng)建操作 33
2.8.1 倒直角與倒圓角. 33
2.8.2 旋轉(zhuǎn)操作. 34
2.8.3 拉伸操作. 36
2.8.4 生成漸變圖形. 38
2.8.5 彎曲工具. 39
2.8.6 解析式建模. 42
2.9 思考題 43
第3 章 激勵端口、材料庫與邊界條件.44
3.1 激勵類型與設置 44
3.1.1 波導端口. 45
3.1.2 波導端口的應用. 46
3.1.3 波導端口的常規(guī)信息 53
3.1.4 離散端口. 55
3.1.5 平面波激勵源. 57
3.1.6 場源. 61
3.2 材料 61
3.2.1 材料庫. 62
3.2.2 添加新材料. 62
3.2.3 編輯材料屬性. 63
3.3 邊界條件. 63
3.4 對稱平面. 64
3.5 思考題. 65
第4 章 求解器與求解設置66
4.1 計算電磁學的基本概念. 66
4.1.1 電尺寸. 66
4.1.2 電磁數(shù)值計算方法. 67
4.2 求解器的類型與特點. 67
4.2.1 時域求解器. 68
4.2.2 頻域求解器. 68
4.2.3 本征模求解器. 69
4.2.4 積分方程求解器. 70
4.2.5 高頻漸進求解器. 70
4.2.6 多層平面矩量法求解器. 71
4.3 網(wǎng)格生成. 71
4.3.1 網(wǎng)格概述. 71
4.3.2 網(wǎng)格優(yōu)化. 72
4.4 求解器參數(shù)設置 76
4.4.1 時域求解器參數(shù)設置. 76
4.4.2 頻域求解器參數(shù)設置. 78
4.4.3 本征模求解器參數(shù)設置. 80
4.5 思考題. 81
第5 章 結(jié)果查看與數(shù)據(jù)后處理82
5.1 結(jié)果查看及相關設置. 82
5.1.1 結(jié)果類型. 82
5.1.2 標準結(jié)果查看. 83
5.1.3 監(jiān)視器相關設置及結(jié)果查看. 83
5.1.4 后處理模板相關設置及結(jié)果查看. 89
5.2 1D 結(jié)果視圖選項 91
5.2.1 繪圖屬性. 91
5.2.2 顯示格式. 92
5.2.3 坐標軸屬性. 92
5.2.4 圖像標記. 92
5.3 2D/3D 結(jié)果視圖選項. 93
5.3.1 繪圖屬性. 94
5.3.2 顯示格式. 97
5.3.3 剖視圖設置. 98
5.3.4 漸變圖例設置. 98
5.4 宏與VBA 引擎 99
5.4.1 通過歷史列表生成宏 99
5.4.2 預加載宏.101
5.5 思考題101
第6 章 優(yōu)化器與高性能計算. 103
6.1 參數(shù)掃描.103
6.2 優(yōu)化設計.104
6.2.1 初始化參數(shù)建模.104
6.2.2 設置優(yōu)化器.105
6.3 優(yōu)化設計應用實例110
6.3.1 參數(shù)掃描實例.110
6.3.2 優(yōu)化設計實例.112
6.4 高性能計算.114
6.4.1 硬件加速技術.115
6.4.2 軟件加速技術.117
6.5 思考題118
第7 章 微波濾波器. 119
7.1 腔體濾波器.119
7.1.1 耦合諧振器濾波器概述119
7.1.2 腔體濾波器仿真設計122
7.2 超寬帶多模濾波器131
7.2.1 超寬帶多模濾波器概述131
7.2.2 超寬帶多模濾波器的仿真設計.132
7.3 思考題140
7.4 參考文獻.141
第8 章 微帶貼片天線設計 142
8.1 基本微帶貼片天線單元
仿真設計.142
8.1.1 空腔模型.142
8.1.2 設計要求.146
8.1.3 CST 設計概述.146
8.1.4 CST 仿真設計.147
8.2 短路加載高增益微帶貼片天線的仿真設計162
8.2.1 等效模型.162
8.2.2 方向性系數(shù).163
8.2.3 設計要求.164
8.2.4 CST 設計概述.164
8.2.5 CST 仿真設計.165
8.3 濾波貼片天線的仿真設計171
8.3.1 基本原理與設計步驟.171
8.3.2 設計要求.174
8.3.3 CST 設計概述.174
8.3.4 CST 仿真設計.175
8.4 思考題.184
8.5 參考文獻.184
第9 章 特征模仿真. 186
9.1 特征模理論概述186
9.1.1 坡印廷定理與廣義特征值方程.186
9.1.2 特征模理論的重要參數(shù).188
9.1.3 特征模與本征模的區(qū)別.189
9.1.4 CST 中的特征模仿真.191
9.2 偶極子天線的模式分析.192
9.2.1 偶極子天線設計概述.193
9.2.2 偶極子天線的特征模仿真設計.195
9.3 微帶貼片天線的模式分析205
9.3.1 微帶貼片天線設計概述.206
9.3.2 微帶貼片天線的特征模
仿真設計.207
9.4 圓極化貼片天線的模式分析212
9.4.1 圓極化貼片天線設計概述.212
9.4.2 圓極化貼片天線仿真設計.213
9.5 耦合圓極化單極子
天線的模式分析219
9.5.1 耦合理論概述.219
9.5.2 耦合圓極化單極子天線仿真設計.223
9.6 思考題229
9.7 參考文獻.230
第10 章 終端天線設計 232
10.1 終端天線介紹232
10.1.1 外置天線.232
10.1.2 內(nèi)置天線.233
10.1.3 邊框天線.234
10.1.4 手機天線的發(fā)展趨勢.235
10.2 倒F 天線(IFA) .236
10.2.1 IFA 的衍變過程236
10.2.2 IFA 的設計236
10.2.3 IFA 的結(jié)構(gòu)參數(shù)分析246
10.3 MIMO 天線與去耦.251
10.3.1 MIMO 天線概述.251
10.3.2 天線的去耦技術.252
10.3.3 MIMO 天線的仿真設計.257
10.3.4 MIMO 天線的去耦設計.262
10.4 slot 與手機邊框天線263
10.4.1 本節(jié)概述.263
10.4.2 手機邊框天線的建模仿真.265
10.5 手機天線的SAR 仿真.282
10.5.1 SAR 計算方法282
10.5.2 SAR 仿真模型的設置282
10.5.3 查看SAR 結(jié)果.285
10.6 思考題.289
10.7 參考文獻.290
第11 章 周期結(jié)構(gòu)仿真 292
11.1 1D 漏波天線.292
11.1.1 微帶漏波天線理論分析.294
11.1.2 漏波天線設計概述.296
11.1.3 漏波天線設計.297
11.2 頻率選擇表面仿真. 311
11.2.1 FSS 單元簡介. 311
11.2.2 FSS 單元仿真設計.312
11.3 基于周期反射表面的高增益天線.316
11.3.1 Fabry-Perot 諧振腔天線的理論分析.317
11.3.2 設計概述.319
11.3.3 基于周期反射表面的
Fabry-Perot 高增益天線
仿真設計.320
11.4 總結(jié)325
11.5 思考題.325
11.6 參考文獻.326
第12 章 散射場仿真 327
12.1 散射近場的提取327
12.1.1 表面等離子體概述.327
12.1.2 設計要求.328
12.1.3 設計實例概述.328
12.1.4 CST 仿真設計.329
12.2 雷達散射截面(RCS)仿真338
12.2.1 RCS 概述338
12.2.2 設計實例概述.340
12.2.3 CST 仿真設計.341
12.3 思考題.345
12.4 參考文獻. 346
第13 章 基于編程調(diào)用CST 的自動化建模與仿真 347
13.1 基于MATLAB 的調(diào)用347
13.1.1 CST 與MATLAB 的交互.347
13.1.2 應用實例——貼片天線建模和仿真.352
13.2 基于Python 的調(diào)用363
13.2.1 Python 環(huán)境配置.363
13.2.2 CST 與Python 的交互.364
13.2.3 應用實例——貼片天線
建模和仿真.366
13.3 思考題.376
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前言/序言
近年來，電磁場數(shù)值算法和仿真軟件飛速發(fā)展，仿真軟件已經(jīng)成為微波電路和天線設計的重要工具。仿真軟件友好的用戶界面和日益完備的數(shù)值算法，使得器件的設計過程更加簡單高效，結(jié)果更加準確，降低了該領域入門的難度，極大地提高了產(chǎn)品設計的效率和精度。目前主流的三維電磁場仿真軟件有IE3D、HFSS、CST、FEKO、AWR、SONET 等，它們各有所長，在不同的場合各自具有其獨特的應用優(yōu)勢。其中，CST 是目前被高校和行業(yè)使用最廣泛的仿真軟件之一，它具有用戶界面友好、功能強大、仿真速度快、后處理能力強等優(yōu)點，用戶群體也越來越龐大。然而，長期以來，該領域一直缺乏面向不同層次使用者且簡單易懂的CST 相關教程，不利于廣大高校學生及行業(yè)技術人員全面了解和深入掌握軟件的使用技巧。隨著無線通信行業(yè)的飛速發(fā)展，射頻電路、電磁場電磁波和天線技術等領域涌現(xiàn)了很多新的概念和設計方法，而仿真軟件自身也不斷增加和完善了新的功能。在此背景下，筆者一直希望能編寫一本與時俱進的教程，能夠涵括不同的研究方向，能同時為高校學生及行業(yè)的技術人員提供參考。幸運的是，我們幾個志同道合的編者走到了一起，在達索析統(tǒng)(上海)信息技術有限公司和廣州浦信系統(tǒng)技術有限公司的支持下，我們經(jīng)過不懈的努力，終于在2022 年初完成了初稿。
