CST工作室套裝2017簡介02 - CST仿真精度
第二篇就接著介紹CST工作室套裝2017，上一期講到仿真的三個核心概念：精度、速度、易用性。這一期，我們著重展開介紹下保證仿真精度需要滿足哪些條件，以及CST軟件在仿真精度問題上有哪些優勢。
完備的技術
CST具有完備的仿真技術。為確保CST仿真技術保持持續領先地位，其仿真求解器處于不斷研發的進程中，CST將數十年研發成就持續不斷地融匯于準確高效的計算方法中。極高的精度讓眾多應用領域使用CST工作室套裝的客戶能夠構建出模擬真實器件行為的“虛擬樣機”，節省設計周期中的時間與成本。
下圖是福豪盛傳感器技術有限公司的一款車輪傳感器例子。Frauscher RSR180車輪傳感器的響應曲線中，仿真與測試展現出完美的吻合關系。
傳感器線圈：列車車輪傳感器中線圈的磁場線，體現出車輪的耦合
“CST工作室套裝讓我們具備了快速準確地對我們的傳感器建模的能力，包括實驗中都無法實現的各種與周邊環境的復雜交互。這一更豐富的認知對于設計我們未來幾代傳感器而言價值不可估量。另外，CST員工的友善和能力出眾也值得稱贊，他們對于我們模型的研發成功做出了盡管是間接的但是同等的貢獻。”
作者：加文·蘭開斯特(GavinLancaster)博士，福豪盛傳感器技術有限公司研發傳感器部門開發人員
CST提供的求解器類型包括用于高頻和低頻問題的通用時域(Time Domain)和頻域(Frequency Domain)求解器，以及全波積分方程(Integral Equation)求解器、本征模(Eigenmode)和高頻漸進(Asymptotic)求解器、自洽互作用(PIC)求解器、靜場（Statics）和多物理場（Multiphyscis）求解器以及眾多專用求解器。這些求解器為解決多種應用提供準確通用的方法。
電磁頻譜：CST工作室套裝為整個電磁頻譜內的各種問題提供求解方案
對于很多應用，可以對同一模型上使用多種仿真方法。CST完備的技術方法允許用戶在同一界面下通過對比不同求解器的結果來驗證仿真結果的準確性。通過這種相互檢驗，能增強對于仿真結果準確性的信心。如下圖是一個磁控管的仿真。
仿真磁控管需要考慮高頻效應、靜態效應、熱效應、力學效應和粒子效應。
強大的建模工具
精確的仿真要求精確的模型。這意味著模型必須能夠準確反映現實對象并且能捕獲可能影響其電磁性能的所有狀態。CST 工作室套裝可提供強大的建模環境和CAD導入工具，幫助用戶為系統構建實用的、有代表性的模型。
真正的瞬態電磁/電路協同仿真，能將二極管和晶體管等非線性組件整合至3D模型中。時域仿真的寬帶特性意味著能自動將多種諧波考慮在內。
測試數據也能導入到CST工作室套裝中，例如樣本材料的屬性、天線的近場或是半導體器件的S參數。這些都能集成到模型內，使其能更接近真實的物理模型。
真實材料模型和電路元件讓這一SMD濾波器能以極高精度進行仿真
在很多應用領域，例如磁學和光學，典型的電磁效應純粹是由器件中使用的非線性材料產生的。CST 工作室套裝包含大量材料模型，能用于對各種各樣的現象進行仿真，包括等離子體和光電效應、鐵磁性、二次電子發射和生物熱效應。 CST工作室套裝內的材料類型包括：
介質
有耗金屬
各向異性材料
時變材料
溫變材料
梯度材料
色散材料
德魯德模型
德拜模型
洛倫茲模型
旋電和旋磁
非線性材料
二階和三階非線性
克爾模型
拉曼模型
非線性磁性材料
涂覆材料
雷達吸波材料
疊層薄面板材料
表面阻抗材料
二次電子發射表面
福曼模型
沃恩模型
非線性熱和生物熱傳導材料
石墨烯
鐵氧體
高魯棒性、高精度的網格劃分
仿真中，結構和場被離散化到網格上。每增加一個網格都會增大仿真的計算資源需求，這意味著如果能用盡量少的網格單元準確描述模型則會帶來優勢。CST工作室套裝可提供六面體和四面體體網格以及三角形和四邊形混合表面網格，為不同狀況提供不同的適用方法。
為在不影響性能的情況下改善六面體網格的準確性，CST工作室套裝在其時域求解器中使用了理想邊界擬合(PBA)(R)技術。PBA保持了常規階梯網格的速度優勢，同時又能在不使用極高密度網格的情況下就能準確地對曲面結構進行網格剖分，使得仿真速度和精度達到了統一。
曲面元使得四面體網格和表面網格不管在高頻還是低頻仿真中都極具優勢。此外，CST頻域求解器的網格加密算法是真正幾何結構自適應。真正幾何結構自適應永遠對原始的未經任何近似的模型結構進行網格加密平滑，能極大的提高仿真精度。
采用傳統網格自適應法（左）和CST真正幾何結構自適應（右）的同軸波導。
用于簡單反射面天線的各種網格劃分策略如下圖所示：
階梯六面體（左上）、曲面四面體（右上）、曲面表面元（左下）以及CST的專有技術PBA（右下）。
可以看到無論是六面體網格還是四面體網格，CST都具有非常強大的技術積累和優勢。
多物理場
電磁學與其他物理場有著緊密的聯系，包括力學和熱力學。因此，從電機和發電機到電磁爐和微波爐，多物理場分析成為眾多不同組件設計的必需。在許多情況下，電效應和磁效應難以與熱效應和機械效應分開，例如，大功率濾波器在使用時會發熱，這樣會導致濾波器產生熱形變從而影響濾波性能。
為計算這些錯綜復雜的熱效應和力效應， CST工作室套裝提供穩態熱求解器、瞬態熱求解器、共軛熱傳遞(CHT)求解器和結構應力求解器。這些多物理場求解器與電磁求解器緊密配合，并且使用系統裝配和建模(SAM)架構即能自動設置仿真。通過SAM，計算出的溫度分布和形變能傳遞回電磁仿真供開展敏感度分析，也能進行收斂性分析，用于計算包含電磁-熱反饋回路的器件的穩態解。
微波爐：微波爐的多物理場仿真（爐門網格未顯示）—左側：頻率為2.45GHz的電場；右側：30秒后的溫度分布。
電子冷卻：流經散熱器的氣流。
為支持多物理場仿真，CST工作室套裝支持一系列非線性和溫變材料。對MRI和RF透熱療法等生物學應用，身體組織的獨特熱屬性，如隨身體溫度變化的血流的冷卻效應，可能會給體內溫度造成嚴重影響。包括生物熱傳導方程在內的熱求解器能對安裝到人體內的裝置開展真實仿真。此外，共軛熱傳遞(CHT)求解器還具備計算流體動力學的功能，能仿真流經器件的空氣流，以便為電子器件的散熱進行建模。
CST并入達索后與達索子品牌SIMULIA(R)的鏈接，進一步增強和拓寬了CST的多物理場應用。后面我們還會給出具體的例子來說明。
這期的內容有點長，主要介紹了保證仿真精度的幾個方面。要想仿真做的準確，1）完備性的算法，2）準確的結構和材料建模，3）高精度高魯棒性的網格都是保證仿真精度的重要點。除此之外還介紹了CST工作室多物理場的功能，電磁產生熱，熱產生形變，形變改變電磁特性，在一些大功率的場景下也是非常需要考慮的問題，能進一步保證實際情況下仿真的準確性。
下期繼續為大家介紹仿真另一個核心要素——速度。
