CST微波工作室CSTMicrowaveStudio中網(wǎng)格劃分Mesh和波導(dǎo)端口WaveguidePort

1、 摘要一本文簡(jiǎn)述了在 CST散波工彳室(CST Microwave Studio )中網(wǎng)格劃分(Mes 和波導(dǎo)端口( Waveguide Port )設(shè)立時(shí)的根本原理。針對(duì)常見(jiàn)的微波器件結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單 論述了 CSTt議的網(wǎng)格劃分方法。簡(jiǎn)要分析波導(dǎo)端口設(shè)置時(shí)需要注意的網(wǎng)格長(zhǎng)度設(shè)置 原那么。 索引詞一CST仿真 I .簡(jiǎn)述 CSTX作室套件(CST Studio Suite )因?yàn)槎喾N類的組件和良好的技術(shù)支持已經(jīng)成為很 多微波從業(yè)者首選的電磁仿真工具。在使用 CST散波工彳室(CST Microwave Studio ) 的過(guò)程中，一些使用者在網(wǎng)格劃分(Mes時(shí)會(huì)覺(jué)得相比照擬難于理解和掌握相關(guān)的 原

2、理和技巧。也有不少使用者在創(chuàng)立波導(dǎo)端口( Waveguide Port)時(shí)會(huì)遇到一些錯(cuò)誤 提示信息。本文集于CST散波工作室的幫助文件作提供的官方信息，結(jié)合作者的使用 經(jīng)驗(yàn)，就上面兩個(gè)問(wèn)題作簡(jiǎn)單的論述與分析。 本局部設(shè)定了隱藏，您已回復(fù)過(guò)了，以下是隱藏的內(nèi)容 II .網(wǎng)格劃分 A.網(wǎng)格劃分根本原那么 CSTX作室套件使用有限積分法 (Finite Integration Technique )求解麥柯斯韋方程 (Maxwell s Grid Equations )來(lái)進(jìn)行仿真運(yùn)算1,因此，每一個(gè)創(chuàng)立的模型都要 “翻譯成軟件可識(shí)別的離散結(jié)構(gòu)，這個(gè)“翻譯過(guò)程通過(guò)網(wǎng)格劃分( Mesh Generati

3、 on)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖片：hexmeshcoaxial.JPG 在實(shí)際操作中，當(dāng)一個(gè)本K型創(chuàng)立好的時(shí)候， CST專家系統(tǒng)(Expert System )已經(jīng)按照 默認(rèn)設(shè)置作了初始網(wǎng)格劃分，這個(gè)初始設(shè)置可以翻開(kāi)全局網(wǎng)格設(shè)置( Global Mesh Pro perties )來(lái)查看。在不應(yīng)用任何模板(Template)的前提下，每波長(zhǎng)網(wǎng)格線數(shù)(Line s per wavelength )、最小網(wǎng)格限制(Lower mesh limit )和網(wǎng)格線比率限制(Mesh l ine ratio limit )這三個(gè)參數(shù)都為10。關(guān)于這三個(gè)參數(shù)的意義，鑒于篇幅的原因，這 里不再詳細(xì)闡述，有興趣的讀者請(qǐng)參考

4、 CS儒助文件2。 除了默認(rèn)的專家系統(tǒng)，模型的網(wǎng)格還可以通過(guò)應(yīng)用模板來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)置。 CST散波工 作室中已經(jīng)與設(shè)置了常見(jiàn)的微波工程的模版，通過(guò)模版可以更有針對(duì)性地進(jìn)行網(wǎng)格劃 分。由于模版與定義了一些列的單位、邊界和網(wǎng)格屬性，因此應(yīng)用模版最好是創(chuàng)立 CS T工程的第一個(gè)步驟。 B.建議的六面體網(wǎng)格劃分原那么 CST散波工作室給出了幾個(gè)最常見(jiàn)微波模型的網(wǎng)格劃分建議， 基于常用性考慮，本文都 以六面體(Hexahedral )網(wǎng)格劃分為例。 CST微波工作室建議的同軸結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖 1所示，內(nèi)圓柱和外圓柱的邊緣都應(yīng)該 生生一條網(wǎng)格線，包括中心的一條網(wǎng)格線，整個(gè)剖面生成了 5+5條網(wǎng)格線。 圖1

5、-同軸結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分建議2 CST散波工作室建議的平面結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖 2所示，微帶線(Microstrip )中心導(dǎo)體 局部至少要生成1-2條網(wǎng)格線，導(dǎo)體至地之間的介質(zhì)層至少要生成 1-3條網(wǎng)格線。 1-2 mesh lines V3mesh lines ，一 二 飛1- -. v - - H裔.工 Qps r i a. cn 圖片:hexmesh_planar2.JPG 圖2 -平面結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分建議2 CST散波工作室建議的螺旋結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖 3所示，圓柱導(dǎo)體至少應(yīng)生成1-2條網(wǎng)格 線，每螺距間至少要生成3-5條網(wǎng)格線。 圖3 -螺旋結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分建議2 C.網(wǎng)格優(yōu)化 在建立了初始網(wǎng)格之后，

6、為了得到更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，有必要對(duì)網(wǎng)格劃分進(jìn)行進(jìn)一步 的優(yōu)化。CST散波工作室提供了自適應(yīng)網(wǎng)格優(yōu)化(Adaptive Mesh Refinement )功能, 使用者可以通過(guò)自適應(yīng)方式自動(dòng)提高網(wǎng)格密度。自適應(yīng)網(wǎng)格優(yōu)化有兩種計(jì)算方法： 基 于專家系統(tǒng)優(yōu)化 (Expert System Based )和基于能量?jī)?yōu)化(Energy Based)。關(guān)于這 兩種優(yōu)化方案的詳細(xì)介紹，讀者可以參考 CST微波工作室?guī)椭募?。 圖4至圖6顯示了在三種不同網(wǎng)格劃分方案前提下，一個(gè)耦合微帶線( Coupled Micr ostrip )的網(wǎng)格劃分視圖(Mesh View)。圖4的專家系統(tǒng)生成了最簡(jiǎn)單的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，

7、 每一條導(dǎo)體截面生成3條網(wǎng)格線。通過(guò)應(yīng)用模版，如圖5所示，網(wǎng)格線增加到了 6條, 圖6的自適應(yīng)網(wǎng)格優(yōu)化只對(duì)波導(dǎo)端口 1 (對(duì)應(yīng)左手邊的微帶線)進(jìn)行自適優(yōu)化，結(jié)果顯 示左邊微帶線生成了密集的網(wǎng)格線，包括兩條微帶線之間以及微帶線頂端等能量集中 的區(qū)域。 圖片:mesh_initial.JPG 圖4 -專家系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置2 圖片：mesh_template.JPG 圖5 -模版默認(rèn)設(shè)置2 圖片:mesh_adaptation.JPG 圖6 -自適應(yīng)網(wǎng)格優(yōu)化結(jié)果2 需要注意的兩點(diǎn)，第一，基于能量的優(yōu)化方案可以得到更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，但是因?yàn)?它不基于模型結(jié)構(gòu)或者全局網(wǎng)格參數(shù)，因此在參數(shù)步進(jìn)(Paramet

8、er Sweep)或者參數(shù) 優(yōu)化(Optimisation )時(shí)將無(wú)法使用；第二，應(yīng)用子網(wǎng)格(Subgridding )時(shí)無(wú)法使用 基于能量的網(wǎng)格優(yōu)化。 D.局部網(wǎng)格優(yōu)化 為了更精確的劃分網(wǎng)格，在側(cè)重模型關(guān)鍵區(qū)域的同時(shí)還要兼顧仿真時(shí)間的要求下， CST 微波工作室提供了局部網(wǎng)格劃分(Local Mesh Properties )功能。具體的局部網(wǎng)格劃 分選項(xiàng)與解釋可以參考CST微波工作室?guī)椭募?。 操作技巧：在一些需要對(duì)某一個(gè)空間或一個(gè)個(gè)體模型的局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密時(shí)，可 以通過(guò) 創(chuàng)立真空結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行局部網(wǎng)格加密來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)請(qǐng)參考實(shí)例 1。 E.網(wǎng)格劃分對(duì)仿真時(shí)間的影響 CST 散波工

9、作室?guī)椭募敿?xì)闡述了影響瞬態(tài)求解器仿真性能的因素， 有興趣的讀者可 以參考3。通常情況下，網(wǎng)格數(shù)越多，網(wǎng)格尺寸越小，仿真結(jié)果就越準(zhǔn)確，但是相應(yīng) 的仿真時(shí)間也就越長(zhǎng)。這其中最小網(wǎng)格步長(zhǎng)(Minimum Mesh Step)是對(duì)仿真速度影響 最大的參數(shù)。 CST散波工作室的瞬態(tài)求解器在時(shí)域計(jì)算時(shí)， 其時(shí)間仿真步長(zhǎng)總數(shù)( Number of Simul ated Timesteps )由總計(jì)算時(shí)間(total calculation time )除以時(shí)間步長(zhǎng)(time st ep)得到。由于時(shí)間步長(zhǎng)(time step )與模型最小網(wǎng)格步長(zhǎng)成正比，因此過(guò)小的最小 網(wǎng)格步長(zhǎng)將會(huì)帶來(lái)過(guò)小的時(shí)間步長(zhǎng)，導(dǎo)

10、致時(shí)間仿真步長(zhǎng)總數(shù)過(guò)大，顯著地增加了仿真 時(shí)間。因此，在劃分網(wǎng)格時(shí)，一方面要注意模型細(xì)節(jié)處的網(wǎng)格劃分，適當(dāng)增加網(wǎng)格數(shù) 覆蓋關(guān)鍵邊緣結(jié)構(gòu)；另一方面要兼顧模型的最小網(wǎng)格尺寸，防止過(guò)長(zhǎng)的仿真時(shí)間。 III.III. 波導(dǎo)端口與網(wǎng)格劃分 波導(dǎo)端口( Waveguide Port )是CST散波工作室仿真中經(jīng)常用到的鼓勵(lì)模式，其詳細(xì) 介紹和尺寸建議可以參考幫助文件4。 前面已經(jīng)提到過(guò)，在進(jìn)行仿真時(shí)，仿真模型必須要網(wǎng)格化，波導(dǎo)端口也不例外。在對(duì) 波導(dǎo)端口網(wǎng)格化時(shí)，為了在瞬態(tài)求解器中實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)端口的模式運(yùn)算( mode operator ), CST散波工作室要求在波導(dǎo)端口前端要生成三個(gè) (three mes

11、h steps )等距離的網(wǎng)格結(jié) 構(gòu) (equidistantly meshed region )，如圖 7所示。 3 equidistant mesh steps 圖片:wgport3meshlines.JPG 圖7 -三個(gè)等距離網(wǎng)格結(jié)構(gòu)4 三個(gè)等距離網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屬性在創(chuàng)立波導(dǎo)端口是由專家系統(tǒng)自動(dòng)激活，使用者是無(wú)法取消 這個(gè)屬性的。在一些模型結(jié)構(gòu)里，專家系統(tǒng)無(wú)法生成至少三個(gè)等距離網(wǎng)格結(jié)構(gòu)時(shí)，系 統(tǒng)往往會(huì)提示錯(cuò)誤信息 “ Waveguide for port number x is too short. The Wavegui de must be homogeneous for at least

12、 three mesh planes along propagation di rection. 或者 “Port x is inhomogeneously filled within the first 3 mesh c ells. Cannot start solver. 這時(shí)， 需要使用者調(diào)整波導(dǎo)端口前端的局部網(wǎng)格劃 分來(lái)實(shí)現(xiàn)三個(gè)等距離網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的要求。 IV.IV. 實(shí)例 A.實(shí)例一：真空結(jié)構(gòu)局部網(wǎng)格加密 實(shí)例結(jié)構(gòu)如圖8所示，結(jié)構(gòu)是兩個(gè)并行微帶線，為了研究在查模鼓勵(lì)和共模鼓勵(lì)條件 下兩條微帶線的耦合性質(zhì)，就需要提高微帶線之間區(qū)域的網(wǎng)格密度。其應(yīng)用平面模版 后的網(wǎng)格劃分如圖9所示，網(wǎng)格總數(shù)

13、37400,兩條微帶線之間有13條網(wǎng)格線，最小網(wǎng) 格步長(zhǎng)0.112毫米。 圖片:case1-model.JPG 圖8 -耦合微帶線模型 圖片：casel-model mesh view.JPG 圖9 -模版網(wǎng)格視圖 為了提高微帶線間的網(wǎng)格密度，有三種可選擇的方法。第一種選擇是提高全局網(wǎng)格密 度，將兩條微帶線之間的網(wǎng)格線提高到 27條，如圖10所示，總網(wǎng)格數(shù)225400,最小 圖片:casil-mesh global.JPG 圖10 -應(yīng)用全局網(wǎng)格設(shè)置網(wǎng)格視圖 這種方案導(dǎo)致網(wǎng)格總數(shù)提高到初始值的六倍左右，最小網(wǎng)格步長(zhǎng)也被縮小，這將導(dǎo)致 仿真時(shí)間被明顯延長(zhǎng)。 第二種選擇是局部加密金屬導(dǎo)體的網(wǎng)格密度

14、并向 x軸兩側(cè)延伸，如圖11所示，兩條微 帶線之間生成24條網(wǎng)格線，總網(wǎng)格數(shù)51120,最小網(wǎng)格尺寸0.112毫米。 圖片:casel-local pec.JPG 圖11 -局部加密微帶線并兩側(cè)延展網(wǎng)格視圖 這種方案明顯優(yōu)于提高全局網(wǎng)格屬性。相比擬圖 10的結(jié)果，這種方案的總網(wǎng)格數(shù)沒(méi)有 顯著提高，最小網(wǎng)格步長(zhǎng)也沒(méi)有改變，關(guān)鍵區(qū)間的網(wǎng)格密度也得到了提高。 由于第二種方案局部網(wǎng)格屬性的延展是沿著 x軸的雙向延展，因此在提高中間間隔區(qū) 域的同時(shí)，也增加了兩側(cè)相同距離的網(wǎng)格密度。在間距比擬寬的情況下，這樣顯得有 圖片:casel-model vacuum.JPG 圖12 -添加真空模型 局部提高已添加

15、的真空模型的局部網(wǎng)格密度，如圖 13所示。同樣是24條網(wǎng)格線，最 小網(wǎng)格步長(zhǎng)保持不變，總網(wǎng)格數(shù)減少至 45360。 圖片：casel-local vacuum.JPG 圖13 -對(duì)真空模型局部網(wǎng)格加密網(wǎng)格視圖 B.半波諧振網(wǎng)格加密 這是在微波仿真論壇 CS校流區(qū)中遇到的一個(gè)實(shí)例，取自 wzyhbwx的模型，基于保密 性考慮，只給出局部視圖。模型通過(guò)對(duì)一個(gè)同軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行饋電，初始模型仿真時(shí)出現(xiàn) 錯(cuò)誤信息：port number 1 is filled with metal. Maybe the background materia l is defined as PEC! ，但是背景材料設(shè)置正常。

16、激活 mesh view,如圖14所示，網(wǎng) 格劃分太稀疏，同軸結(jié)構(gòu)有局部網(wǎng)格被轉(zhuǎn)換成 staircase模式并被強(qiáng)制設(shè)定成為PEC 圖片：case2-model mesh view initial.jpg 圖14 -初始網(wǎng)格視圖 在同軸線中心導(dǎo)體處增加一條網(wǎng)格線， 如圖15所示，強(qiáng)制專家系統(tǒng)區(qū)分波導(dǎo)端口前網(wǎng) 格內(nèi)的材料，使它不能將網(wǎng)格材料強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成 PEC錯(cuò)誤信息消失。 圖片:case2-model mesh view 2.jpg 圖15 -增加一條網(wǎng)格線網(wǎng)格視圖 基于 CSTCST 微波工作室?guī)椭募锝ㄗh的同軸結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分，這個(gè)同軸結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分建議如圖 1616 所示。內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體邊

17、緣都生成一條網(wǎng)格線，其中，為了在內(nèi)導(dǎo)體外邊緣生成網(wǎng)格線，手動(dòng)設(shè)定了 四個(gè)固定點(diǎn)巾 xpointxpoint圖中未顯示，由這四個(gè)固定點(diǎn)生成四條網(wǎng)格線。010 圖片:case2-model mesh view optimum.jpg 圖 16 16 -建議的網(wǎng)格劃分網(wǎng)格視圖 V.V. 結(jié)論 在 CSTCST 微波工作室中創(chuàng)立模型并運(yùn)行仿真時(shí)，需要特別注意模型的網(wǎng)格劃分情況。隨意的網(wǎng)格劃分 及不能精確的模型把模型轉(zhuǎn)換成離散形式，又有可能因?yàn)檫^(guò)大的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在鼓勵(lì)端口處出現(xiàn)錯(cuò)誤信 息。同時(shí)，過(guò)于細(xì)致的網(wǎng)格劃分又使得最小網(wǎng)格步長(zhǎng)數(shù)值過(guò)小，嚴(yán)重降低仿真的實(shí)效性。因此，使用 者需要通過(guò)更多的建模和操作積累經(jīng)驗(yàn)，掌握到適宜的平衡點(diǎn)。 致謝 作者感謝 yxy0728yxy0728 對(duì)這篇文章的邀請(qǐng)，以及所有微波仿真論壇和 CSTCST 專區(qū)中對(duì)本文有奉獻(xiàn)的朋友們 參考文獻(xiàn) TheSimulation Method Advanced Topics, Computer Simulation Technology, 2021. 2 CST Microwave Studio Help, 010 3 CST Microwave Studio Help, Simulation Technology, 2021 4 CST Micr