CST軟件與程序算法對(duì)比

1、CS傲件與程序算法對(duì)比對(duì)于線纜空間電磁場(chǎng)電磁耦合計(jì)算的問(wèn)題，可以有多種方法進(jìn)行計(jì)算。如果要直接計(jì)算時(shí)域下的線纜激勵(lì)響應(yīng)，我們通常使用電磁仿真軟件CSTSTUDIOSUITE行仿真，CST次件內(nèi)置了多個(gè)子工作室，其中CST微波工作室與CST線纜工作室都可以進(jìn)行該類(lèi)問(wèn)題的仿真，為了進(jìn)一步了解兩個(gè)工作室的計(jì)算原理，下面對(duì)兩種工作室的算法進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，最后跟我們提出的時(shí)域混合算法FDTD-TUS行對(duì)比。1 .微波工作室微波工作室(MicrowaveStudio)的主要算法基礎(chǔ)是有限積分法(FiniteIntegrationTechnique,FIT)。該算法離散麥克斯韋方程組，用中心差分代替時(shí)間導(dǎo)數(shù)

2、，生成顯示遞推方程，其時(shí)域標(biāo)準(zhǔn)形式與FDTD類(lèi)似。FDTD或者FITD都是先在時(shí)域計(jì)算，用一個(gè)寬頻譜的激勵(lì)信號(hào)(方波或者高斯波都有)去激勵(lì)模型，在時(shí)域計(jì)算然后去反演到頻域。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和場(chǎng)參數(shù)基本上是反演后的得到的。特點(diǎn)是可以計(jì)算相當(dāng)大的帶寬結(jié)果，而不需要像用ansoft,可能要把大帶寬分割后分別仿真。CST計(jì)算過(guò)程中，由于沒(méi)有FEM計(jì)算過(guò)程中矩陣求逆過(guò)程，計(jì)算時(shí)間和網(wǎng)格數(shù)成線性增長(zhǎng)關(guān)系，而FEM的是指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系。圖1時(shí)域算法和頻域算法對(duì)CPU和內(nèi)存需求的數(shù)學(xué)原理對(duì)于計(jì)算線纜問(wèn)題，微波工作室將線纜同接地板、屏蔽腔等物體直接在空間中進(jìn)行網(wǎng)格剖分，再通過(guò)有限積分法進(jìn)行迭代計(jì)算。對(duì)于集總元件所在的

3、網(wǎng)格通過(guò)SPICE電路算法進(jìn)行處理，最終得到集總元件上的電壓以及電流響應(yīng)。2 .線纜工作室線纜工彳室(CableStudio)核心算法基于經(jīng)典的傳輸線理論，將線纜和載體的幾何特性和材料特性轉(zhuǎn)化為等效電路，最終在電路仿真器中完成計(jì)算，可以解決載體系統(tǒng)中互連線纜的輻射、耦合以及串?dāng)_問(wèn)題。線纜工作室利用3D電磁場(chǎng)求解器計(jì)算從邊界出發(fā)的入射波在線上形成的分布電壓源（2D邊界元法BEM）,而解析法分析認(rèn)為入射場(chǎng)無(wú)損耗地加載在線纜上。如果空間媒質(zhì)分布復(fù)雜，兩者的計(jì)算結(jié)果會(huì)表現(xiàn)出差異。線纜工作室算法局限性：1、基于經(jīng)典的傳輸線理論，只考慮TEM傳播模式，所有生成的等效電路在0-Fmax范圍內(nèi)是有效的。Fma

4、x受捆扎線束的橫截面的最大尺寸限制。2、TEM傳播模式意味著至少有兩個(gè)承載導(dǎo)體（形成往返回路），通常N個(gè)導(dǎo)體有（N-1）個(gè)傳播模式，空間如果只有一根單線（裸線）而沒(méi)有任何參考地（典型的如天線）除了直流以外的頻域?qū)o(wú)法準(zhǔn)確生成模型。3、3D線纜線束結(jié)構(gòu)會(huì)由程序自動(dòng)分割為有限個(gè)之弦斷。對(duì)于不同的段通過(guò)2D靜態(tài)場(chǎng)求解生成不同的傳輸線參數(shù)。電纜終端和彎曲處引起的場(chǎng)效應(yīng)不計(jì)入仿真。4、混合算法中的場(chǎng)耦合以及輻射敏感度分析忽略了由線纜自身電流產(chǎn)生的場(chǎng)又反過(guò)來(lái)對(duì)該電纜本身的電磁相互作用，這對(duì)特殊應(yīng)用（如封閉盒子內(nèi)的電纜諧振）線纜工作室中建立可視化模型時(shí)，模型必然為有限大，而且計(jì)算機(jī)有限的硬件資源也只能處理有

5、限大的實(shí)體。軟件在計(jì)算線纜問(wèn)題時(shí)必須定義一塊金屬，代表大地或是載體機(jī)殼。3 .時(shí)域混合算法FDTD-TLFDTD-TL算法的原理是：首先利用電磁仿真軟件建立移除了傳輸線的設(shè)備屏蔽腔結(jié)構(gòu)模型，導(dǎo)出生成STL格式文件。利用傳輸線方程建立屏蔽腔內(nèi)傳輸線的電磁耦合模型。然后，結(jié)合FDTD自動(dòng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，讀取該STL格式文件，實(shí)現(xiàn)設(shè)備屏蔽腔結(jié)構(gòu)的快速建模和網(wǎng)格剖分。通過(guò)FDTD方法對(duì)設(shè)備屏蔽腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行全波模擬，計(jì)算得到傳輸線的激勵(lì)場(chǎng)。在每一個(gè)FDTD時(shí)間步進(jìn)中，將FDTD計(jì)算得到的激勵(lì)場(chǎng)引入到傳輸線方程作為等效分布電壓源和分布電流源。然后采用FDTD差分格式對(duì)傳輸線方程進(jìn)行離散，從而迭代求解出傳輸線終

6、端負(fù)載上的電壓和電流響應(yīng)。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示。府破腔建橫傳邛鬲FSTL的網(wǎng)格制分一立傳方一kLHD力注獲帶傳崎繾澈勘場(chǎng)復(fù)二蟠后D差分用十圈融傳輸線方程娓接貪稅上的蟒態(tài)畫(huà)附圖2FDTD-TL算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程同樣地，采用FDTD的差分格式對(duì)傳輸線進(jìn)行離散，得到FDTD-TL算法的迭代公式。需要注意的是，雖然FDTD-TL算法的迭代公式與式(3-8)和(3-9)相同，然而FDTD-TL算法在每一個(gè)時(shí)間步進(jìn)上，將FDTD計(jì)算得到的傳輸線激勵(lì)場(chǎng)引入到傳輸線方程，實(shí)現(xiàn)空間電磁場(chǎng)與傳輸線瞬態(tài)響應(yīng)的同步計(jì)算，具體的迭代步驟為：(1)計(jì)算n時(shí)刻的傳輸線激勵(lì)場(chǎng)ET和E：,具體計(jì)算公式為：m省/XEt(j,k,n

7、尸AxZeex(m,j,k,n&又和El(j,k,nAt尸eex(h,j,k,nt)；mm一迭代n+1/2時(shí)刻的磁場(chǎng)Hn4V2；(3) 迭代n+1時(shí)刻的電場(chǎng)En卡;(4) 計(jì)算n+1時(shí)刻的傳輸線激勵(lì)場(chǎng)ET*和E1由；(5) 迭代n+1/2時(shí)刻的電流1n書(shū)2;(6) 迭代n+1時(shí)刻的電壓U整理得到三種方法的原理對(duì)比如下表所示:仿真方法基本原理主要特點(diǎn)計(jì)算線纜問(wèn)題的局限性微波工作室(時(shí)域)有限積分法1 .通用性較好，對(duì)于任意結(jié)構(gòu)線纜都能進(jìn)行建模。2 .計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。1 .對(duì)精細(xì)線纜結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分量大，導(dǎo)致計(jì)算較慢。2 .負(fù)載電路建模不方便。3 .無(wú)法對(duì)無(wú)限大地面進(jìn)行建模。線纜工作室(時(shí)域

8、)有限積分法+傳輸線方法1 .提供常見(jiàn)線纜的線纜庫(kù)，方便建模時(shí)使用。2 .能夠方便地對(duì)復(fù)雜負(fù)載電路進(jìn)行建模。1 .計(jì)算精度相對(duì)全波算法較低。2 .無(wú)法對(duì)無(wú)限大地面進(jìn)行建模。時(shí)域混合算法時(shí)域有限差分法+傳輸線方法1 .通用性較好，程序方便修改。2 .程序體積小，運(yùn)行占用內(nèi)存小，計(jì)算速度快。1.由于采用傳輸線等效模型，計(jì)算精度受頻率等因素影響較大。算例1導(dǎo)電平面上單根電纜的核電磁脈沖耦合圖3為電磁波照射導(dǎo)電平面上單根電纜的電磁耦合模型，導(dǎo)電平面長(zhǎng)寬均為2m,厚度為10cm,電纜長(zhǎng)度L=1m,高度h=10cm,半徑r=5mm,電纜端接負(fù)載Zi=50Q,Z2=50Qo入22射波為核電磁脈沖，波形表達(dá)式

9、為E0(t尸E。exp(Yn(t-t0)/t),其中E0=65kv/m,口=4M107s,，日=6父108s工。電磁脈沖的入射角度為1=1800,邛=90°,極化角度為口=1800。計(jì)算所取的空間步長(zhǎng)為dx=dy=dz=0.05m,總的時(shí)間步為1200步。計(jì)算電纜終端負(fù)載上的瞬態(tài)響應(yīng)如圖4所示。圖4三種方法計(jì)算得到負(fù)載上的感應(yīng)電壓曲線算例2導(dǎo)電平面上單根電纜的高斯脈沖耦合圖3為電磁波照射導(dǎo)電平面上單根電纜的電磁耦合模型，導(dǎo)電平面長(zhǎng)寬均為2m,厚度為10cm,電纜長(zhǎng)度L=1m,高度h=2cm,半徑r=2mm,電纜端接負(fù)載Zi=50Q,Z2=100Qo入2o射波為圖斯脈沖，波形表達(dá)式為E

10、0(t)=E0exp(Yn(tt0)/),其中E0=1000V/m,e=4ns,t0=08。電磁脈沖的入射角度為1=180°,9=900,極化角度為口=180°。計(jì)算所取的空間步長(zhǎng)為dx=dy=dz=0.01m，總的時(shí)間步為3000步。計(jì)算電纜終端負(fù)載上的瞬態(tài)響應(yīng)如圖6所示。圖5地面上單根電纜的電磁耦合模型圖6三種方法計(jì)算得到負(fù)載上的感應(yīng)電壓曲線算例3屏蔽腔體中的單導(dǎo)體傳輸線核電磁脈沖耦合圖7為屏蔽腔體內(nèi)單導(dǎo)體傳輸線的結(jié)構(gòu)示意圖，屏蔽腔體長(zhǎng)度L,=60cm,寬度cWC=50cm,高度Hc=40cm,腔體厚t=5mmo縫長(zhǎng)ls=30cm,寬度ws=2cm,縫的中心與腔體上面板

11、中心的距離D=15cm。單導(dǎo)體傳輸線長(zhǎng)度l=50cm,距腔底高度h=20mm,間距d=20mm,導(dǎo)線半徑r=2mm。傳輸線端接負(fù)載為Ri=58,22_R=100。入射波為核電磁脈沖，波形表達(dá)式為E0(t)=E°exp(Tn(t1°)/d),其中E0=65kv/m,&=4父107s,6=6父108s。電磁脈沖的入射角度為i=180°,中=900,極化角度為支=1800。利用FDTD-TL算法計(jì)算得到傳輸線端接負(fù)載上的電壓響應(yīng)，并與CSTMWS微波工作室)與CS餞纜工作室)中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖8三種方法計(jì)算得到負(fù)載R2上的感應(yīng)電壓曲線算例4Lc=60cm,

12、寬度屏蔽腔體中的多導(dǎo)體傳輸線高斯脈沖耦合圖9為屏蔽腔體內(nèi)單導(dǎo)體傳輸線的結(jié)構(gòu)示意圖，屏蔽腔體長(zhǎng)度Wc=50cm,高度Hc=40cm，腔體厚t=5mm?？p長(zhǎng)ls=30cm,寬度ws=2cm,縫的中心與腔體上面板中心的距離D=15cm。三根傳輸線的長(zhǎng)度l=50cm,距腔底高度h=20mm，間距d=20mm,導(dǎo)線半徑r=2mm。傳輸線端接負(fù)載為R1=R3=R5=50Q,2,2、R=R4=R6=100C。入射波為圖斯脈沖，波形表達(dá)式為E0（t產(chǎn)EOexp（4n（t1°）/T）,其中E0=1000V/m,E=2ns,電磁脈沖的入射角度為9=180°,邛=900,極化角度為a=1800。利用FDTD-TL算法計(jì)算得到傳輸線端接負(fù)載上的電壓響應(yīng)，并與CSTMWS微波工作室）與CS線纜工作室）中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖9屏蔽腔體中的多導(dǎo)體傳輸線圖10三種方法計(jì)算得到負(fù)載R上的感應(yīng)電壓曲線結(jié)論：經(jīng)過(guò)調(diào)研以及仿真可知，CST兩種工彳室