CST微波工作室(CST Microwave Studio)中網(wǎng)格劃分(Mesh)和波導(dǎo)端口(Waveguide Port)

1、摘要一本文簡(jiǎn)述了在CST微波工作室(CSTMicrowaveStudio)中網(wǎng)格劃分(Mesh)和波導(dǎo)端口(WaveguidePort)設(shè)立時(shí)的基本原理。針對(duì)常見的微波器件結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單論述了CST建議的網(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)置原則。索引詞一CST、仿真簡(jiǎn)述CST工作室套件(CSTStudioSuite)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微波工作室(CSTMicrowaveStudio)的過程中，一些使用者在網(wǎng)格劃分(Mesh)時(shí)會(huì)覺得相對(duì)比較難于理解和掌握相關(guān)的原理和技巧。也有不少使用者在創(chuàng)建波導(dǎo)端口(Wave

2、guidePort)時(shí)會(huì)遇到一些錯(cuò)誤提示信息。本文集于CST微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)問題作簡(jiǎn)單的論述與分析。本部分設(shè)定了隱藏，您已回復(fù)過了，以下是隱藏的內(nèi)容網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分基本原則CST工作室套件使用有限積分法(FiniteIntegrationTechnique)求解麥柯斯韋方程(MaxwellsGridEquations)來(lái)進(jìn)行仿真運(yùn)算1，因此，每一個(gè)創(chuàng)建的模型都要“翻譯”成軟件可識(shí)別的離散結(jié)構(gòu)，這個(gè)“翻譯”過程通過網(wǎng)格劃分(MeshGeneration)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際操作中，當(dāng)一個(gè)模型創(chuàng)建好的時(shí)候，CST專家系統(tǒng)(ExpertSystem)已經(jīng)

3、按照默認(rèn)設(shè)置作了初始網(wǎng)格劃分，這個(gè)初始設(shè)置可以打開全局網(wǎng)格設(shè)置(GlobalMeshProperties)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)(Linesperwavelength)、最小網(wǎng)格限制(Lowermeshlimit)和網(wǎng)格線比率限制(Meshlineratiolimit)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CST幫助文件2。除了默認(rèn)的專家系統(tǒng)，模型的網(wǎng)格還可以通過應(yīng)用模板來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)置。CST微波工作室中已經(jīng)與設(shè)置了常見的微波工程的模版，通過模版可以更有針對(duì)性地進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于模版與定義了一

4、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)建CST工程的第一個(gè)步驟。建議的六面體網(wǎng)格劃分原則CST微波工作室給出了幾個(gè)最常見微波模型的網(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。圖片：hexmesh_coaxial.JPG圖1-同軸結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分建議2CST微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)體部分至少要生成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

5、。圖片：hexmesh_planar2.JPG圖2-平面結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分建議2CST微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)格圖片:hexmesh_helical.JPG圖3-螺旋結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分建議2網(wǎng)格優(yōu)化在建立了初始網(wǎng)格之后，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微波工作室提供了自適應(yīng)網(wǎng)格優(yōu)化(AdaptiveMeshRefinement)功能，使用者可以通過自適應(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(ExpertSystemBased)和基于能量?jī)?yōu)化(EnergyBased)。關(guān)于這兩種優(yōu)化方案的詳細(xì)介

6、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(CoupledMicrostrip)的網(wǎng)格劃分視圖(MeshView)。圖4的專家系統(tǒng)生成了最簡(jiǎn)單的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，每一條導(dǎo)體截面生成3條網(wǎng)格線。通過應(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_adapta

7、tion.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)樗换谀Ｐ徒Y(jié)構(gòu)或者全局網(wǎng)格參數(shù)，因此在參數(shù)步進(jìn)(ParameterSweep)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。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(LocalMeshProperties)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

8、局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密時(shí)，可以通過創(chuàng)建真空結(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。網(wǎng)格劃分對(duì)仿真時(shí)間的影響CST微波工作室?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)(MinimumMeshStep)是對(duì)仿真速度影響最大的參數(shù)。CST微波工作室的瞬態(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)(NumberofSimulatedTimesteps)由總計(jì)算時(shí)間(totalcalculationtime)除以時(shí)間步長(zhǎng)(timestep)得到。由于時(shí)間步長(zhǎng)(ti

9、mestep)與模型最小網(wǎng)格步長(zhǎng)成正比，因此過小的最小網(wǎng)格步長(zhǎng)將會(huì)帶來(lái)過小的時(shí)間步長(zhǎng)，導(dǎo)致時(shí)間仿真步長(zhǎng)總數(shù)過大，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，避免過長(zhǎng)的仿真時(shí)間。III.波導(dǎo)端口與網(wǎng)格劃分波導(dǎo)端口(WaveguidePort)是CST微波工作室仿真中經(jīng)常用到的激勵(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，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(modeoperator)，CST微波工作室

10、要求在波導(dǎo)端口前端要生成三個(gè)(threemeshsteps)等距離的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(equidistantlymeshedregion)，如圖7所示。3equidistantmeshsteps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)建波導(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“Waveguideforportnumberxistooshort.TheWaveguidemustbehomogeneousforatleastthreemeshplan

11、esalongpropagationdirection.”或者“Portxisinhomogeneouslyfilledwithinthefirst3meshcells.Cannotstartsolver.”。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.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，為了研究在查模激勵(lì)和共模激勵(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)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:casel-m

12、odel.JPG圖8-耦合微帶線模型圖片：casel-modelmeshview.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，最小網(wǎng)格步長(zhǎng)0.035毫米。aTHiflffllEEtaa.雷7匸!工二!777加-|“.習(xí)圖片：casilmeshglobal.JPGLW3住申+卄i|+用申刊由14411刊44岳1Ir=-=-.1：.I:”|I1IT!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

13、延長(zhǎng)。第二種選擇是局部加密金屬導(dǎo)體的網(wǎng)格密度并向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-localpec.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。相比較圖10的結(jié)果，這種方案的總網(wǎng)格數(shù)沒有顯著提高，最小網(wǎng)格步長(zhǎng)也沒有改變，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。在間距比較寬的情況下，這樣顯得有些多余。因此可以在兩條微帶線之間創(chuàng)建一個(gè)真空模型，如圖12所示。mAri

14、M圖片：case1-modelvacuum.JPG圖12-添加真空模型局部提高已添加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-localvacuum.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CST交流區(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：“portnumber1isfilledwithmetal.MaybethebackgroundmaterialisdefinedasP

15、EC!”，但是背景材料設(shè)置正常。激活meshview，如圖14所示，網(wǎng)格劃分太稀疏，同軸結(jié)構(gòu)有部分網(wǎng)格被轉(zhuǎn)換成staircase模式并被強(qiáng)制設(shè)定成為PEC。圖片：case2modelmeshviewinitial.jpgMsNplanatX1.8(Index=9).一圖14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15-增加一條網(wǎng)格線網(wǎng)格視圖基于CST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16所示。內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體邊緣都生成一條網(wǎng)格線，其中，為了在內(nèi)導(dǎo)體外邊緣生

16、成網(wǎng)格線，手動(dòng)設(shè)定了四個(gè)固定點(diǎn)（fixpoint）（圖中未顯示），由這四個(gè)固定點(diǎn)生成四條網(wǎng)格線。010TypeMeshplaneatzHighFrequencyMesh75.38(Index=28)LiIEDA：戶取醴百弓2=7.38iu=3fjttD./fabsartIM圖片:case2-modelmeshviewoptimum.jpg圖16-建議的網(wǎng)格劃分網(wǎng)格視圖V.結(jié)論在CST微波工作室中創(chuàng)建模型并運(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^大的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在激勵(lì)端口處出現(xiàn)錯(cuò)誤信息。同時(shí)，過于細(xì)致的網(wǎng)格劃分又使得最小網(wǎng)格步長(zhǎng)數(shù)值過小，嚴(yán)重降低仿真的實(shí)效性。因此，使用者需要通過更多的建模和操作積累經(jīng)驗(yàn)，掌握到合適的平衡點(diǎn)。致謝作者感謝yxy0728對(duì)這篇文章的邀請(qǐng)，以及所有微波仿真論壇和CST專區(qū)中對(duì)本文有貢獻(xiàn)的朋友們。參考文獻(xiàn)CSTMicrowaveStudioHelp,“TheSimulationMethod”，AdvancedTopics,ComputerSimulationTechnology,2010.CSTMicrowaveStudioHelp,“MeshGenerationOverview”