CST工作室套装2017简介09 - 生物电磁、光学、EMC等领域的应用
总共计划10期完成介绍的—CST2017套装简介系列还有最后二期。本期中我们介绍一下CST在生物电磁、光学、EDA、EMC等领域的应用。
生物电磁
电磁场与人体的相互作用不仅与手机等现代通信设备有关，也与物联网和用于监测、成像和治疗的先进医疗设备等新技术有关。因为人体体内测量一般难以进行，电磁仿真是分析人体内复杂场分布的唯一途径，能用于确保设备功能实现并且认知和避免人体器官组织内功率损耗所产生的危害。
为了准确仿真人体内的电磁传播需要准确地建模复杂的解剖学结构和人体组织材料属性，而这两者一般会随年龄、频率和温度的变化而改变。CST同时提供基于体元的人体模型和基于CAD的人体模型，并能模拟不同年龄、个头和性别，同时提供了一个包含大量人体器官组织的材料库，另外还针对体元模型提供了一个工具用于调整人体形态。
人体模型：CST为电磁仿真提供基于CAD（左）和基于体元（右）的人体模型
所有在人体近距范围内工作的电磁设备都需要政府机构认证，主要是基于统计场评估值（例如按照国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)标准）或比吸收率(SAR)，比吸收率是用于衡量人体吸收的能量大小的指标。CST工作室套装能直接计算各种类型的SAR，包括点SAR、1克和10克平均SAR以及整体SAR。使得工程师能够在产品设计早期阶段就能对SAR值进行评估。
在设计人体体内或近距离使用的设备时，发热是另一项重要的考量。在部分医疗设备中，例如在癌症治疗设备中，发热是需要的效果，但在其他的应用中则是有害的。CST工作室套装提供带生物热传导求解器的多物理场模块，能计算温度分布和热剂量（CEM 43°C）以及对活体组织产生的影响，例如代谢热、血扩散和人体热调节。如欲了解更多信息，敬请参阅多物理场(Multiphysics)（见简介02）。
MRI：7 T MRI的可调阵列和人体模型，从左至右依次显示B1+场分布、点SAR、10分钟后温度和热剂量(CEM43°C)。图片由德国癌症研究中心(DKFZ)提供。
光学
“在我们的团队里，我们经常使用CST工作室套装对我们光学超材料和等离子体进行研究。由于其用户友好性、仿真精度高、能灵活地为复杂问题建模，我们都非常喜爱使用。”
A. Alù，德州大学奥斯汀分校副教授
在众多领域中，光学、光电和等离子体器件已经成为关键组件，例如在通信、遥感或医疗应用中，并且它们会在将来扮演越来越重要的角色。对于此类器件的仿真有助于优化它们的效率，降低设计与研发成本。
光学器件中常常利用非线性效应，因此CST提供了一系列非线性材料模型（请见简介02）。由于涉及的波长极短，因此光学组件往往要求仿真电气规模极大的结构。典型例子如光栅耦合器或波导弯头。高性能计算（请见简介03）为这些器件的全波仿真提供了一个有效途径。
通过为一部分波导的局部施加外部场，改变其中一段直波导内的折射率从而能切换输出。产生的相位变化会给输出通道上游或下游造成破坏性的干扰
EDA/电子
现代电路板和封装由于数据率高、结构紧凑、布局复杂，使其保持信号完整性(SI)、电源完整性(PI)和电磁兼容性(EMC)的难度较大。CST工作室套装包含了一系列工具，能够帮助工程师对PCB的布局进行设计、分析和优化。
信号完整性：在CST工作室套装内生成的多级眼图。
CST工作室套装内的专用PCB仿真工具能用于迅速仿真PCB的行为，包括压降、供电网络(PDN)阻抗和信号网络的传输特性。使用帕累托前沿优化能自动优化去藕电容，平衡价格与性能。此外，CST工作室套装还为PCB布局提供规则检查工具（CSTBOADCHECK）。该工具能自动检测可能导致SI/PI或EMC问题的结构。
使用为复杂印刷结构优化的专用网格剖分算法，PCB版图能直接转换为用于全波仿真的3D模型，或转换为用于电路仿真的等效电路模型。IC设计可通过芯片交互界面导入，该接口模拟真实的制造工艺，能生成精确的仿真模型。
通道建模：DDR4 RAM内存通道上的电场
仿真能重复使用同一虚拟原型进行许多标准的实验室测量，例如S参数、眼图和时域反射（TDR），从而帮助降低成本和缩短设计周期。
EMC
“采用CST微波工作室仿真EMC和EMI性能为我们在客户那里提供了竞争优势，增强了他们对我们产品的信赖。”
Ralf Kakerow，大陆汽车有限公司
电磁兼容性(EMC)和电磁干扰(EMI)是同一个问题的两个方面。从电磁兼容合规的角度，待测设备不得产生干扰其他设备的传导发射或辐射发射。从抗电磁干扰的角度，设备必须能承受预期的干扰，无论干扰是来自临近设备还是来自环境中的电磁效应（E3），例如雷击或电磁脉冲(EMP)。
辐射：来自PCB的辐射发射
在电子设备仿真中，CST设计工作室的电路仿真能对全波求解器进行有效补充和辅助，它包含在所有的CST工作室套装许可证中。真正的瞬态场路联合仿真能够在设备的3D仿真中使用SPICE和IBIS等组件模型。此外，使用规则检查工具CST规则检查还能核验PCB布局，发现潜在的电磁兼容性问题。.
E3： 飞机在雷击过程中产生的从机头至机尾的表面电流
EMC/EMI和E3问题可能会从复杂结构中貌似微不足道的地方产生，例如一条线缆、一个通风孔或一道缝隙。传输线矩阵(TLM)求解器非常适用于这类情况，它支持能高效建模复杂结构的精简模型。
共存是一个重要的问题，对处于同一平台上的多个RF系统如此，对运行在高时钟速度下、谐波散布在RF频率范围内的多个数据总线也是如此。射频干扰会导致这些系统的性能恶化，是不可接受的。CST 干扰分析任务(Interference Task)能分析系统间耦合和传输，整体概览可能的射频干扰。该干扰分析工具完全集成在CST工作室套装内，便于在不同场景下运行分析，并在检测到可能的干扰后，测试缓解问题措施。
电缆能被结构某个部分中的辐射场耦合，然后传导到另一个部位，并再次辐射它们，导致进一步的电磁干扰问题。时域求解器可使用“混合瞬态电缆仿真”予以辅助。这样就可以将解析电缆和线束模型集成到3D模型中。
这期主要介绍了CST2017版本在生物电磁、光学、EDA、EMC等领域的应用。在完成这一系列后，开始发布一些具体的操作实例。
