CST工作室套装2017简介02 - CST仿真精度
第二篇就接着介绍CST工作室套装2017，上一期讲到仿真的三个核心概念：精度、速度、易用性。这一期，我们着重展开介绍下保证仿真精度需要满足哪些条件，以及CST软件在仿真精度问题上有哪些优势。
完备的技术
CST具有完备的仿真技术。为确保CST仿真技术保持持续领先地位，其仿真求解器处于不断研发的进程中，CST将数十年研发成就持续不断地融汇于准确高效的计算方法中。极高的精度让众多应用领域使用CST工作室套装的客户能够构建出模拟真实器件行为的“虚拟样机”，节省设计周期中的时间与成本。
下图是福豪盛传感器技术有限公司的一款车轮传感器例子。Frauscher RSR180车轮传感器的响应曲线中，仿真与测试展现出完美的吻合关系。
传感器线圈：列车车轮传感器中线圈的磁场线，体现出车轮的耦合
“CST工作室套装让我们具备了快速准确地对我们的传感器建模的能力，包括实验中都无法实现的各种与周边环境的复杂交互。这一更丰富的认知对于设计我们未来几代传感器而言价值不可估量。另外，CST员工的友善和能力出众也值得称赞，他们对于我们模型的研发成功做出了尽管是间接的但是同等的贡献。”
作者：加文·兰开斯特(GavinLancaster)博士，福豪盛传感器技术有限公司研发传感器部门开发人员
CST提供的求解器类型包括用于高频和低频问题的通用时域(Time Domain)和频域(Frequency Domain)求解器，以及全波积分方程(Integral Equation)求解器、本征模(Eigenmode)和高频渐进(Asymptotic)求解器、自洽互作用(PIC)求解器、静场（Statics）和多物理场（Multiphyscis）求解器以及众多专用求解器。这些求解器为解决多种应用提供准确通用的方法。
电磁频谱：CST工作室套装为整个电磁频谱内的各种问题提供求解方案
对于很多应用，可以对同一模型上使用多种仿真方法。CST完备的技术方法允许用户在同一界面下通过对比不同求解器的结果来验证仿真结果的准确性。通过这种相互检验，能增强对于仿真结果准确性的信心。如下图是一个磁控管的仿真。
仿真磁控管需要考虑高频效应、静态效应、热效应、力学效应和粒子效应。
强大的建模工具
精确的仿真要求精确的模型。这意味着模型必须能够准确反映现实对象并且能捕获可能影响其电磁性能的所有状态。CST 工作室套装可提供强大的建模环境和CAD导入工具，帮助用户为系统构建实用的、有代表性的模型。
真正的瞬态电磁/电路协同仿真，能将二极管和晶体管等非线性组件整合至3D模型中。时域仿真的宽带特性意味着能自动将多种谐波考虑在内。
测试数据也能导入到CST工作室套装中，例如样本材料的属性、天线的近场或是半导体器件的S参数。这些都能集成到模型内，使其能更接近真实的物理模型。
真实材料模型和电路元件让这一SMD滤波器能以极高精度进行仿真
在很多应用领域，例如磁学和光学，典型的电磁效应纯粹是由器件中使用的非线性材料产生的。CST 工作室套装包含大量材料模型，能用于对各种各样的现象进行仿真，包括等离子体和光电效应、铁磁性、二次电子发射和生物热效应。 CST工作室套装内的材料类型包括：
介质
有耗金属
各向异性材料
时变材料
温变材料
梯度材料
色散材料
德鲁德模型
德拜模型
洛伦兹模型
旋电和旋磁
非线性材料
二阶和三阶非线性
克尔模型
拉曼模型
非线性磁性材料
涂覆材料
雷达吸波材料
叠层薄面板材料
表面阻抗材料
二次电子发射表面
福曼模型
沃恩模型
非线性热和生物热传导材料
石墨烯
铁氧体
高鲁棒性、高精度的网格划分
仿真中，结构和场被离散化到网格上。每增加一个网格都会增大仿真的计算资源需求，这意味着如果能用尽量少的网格单元准确描述模型则会带来优势。CST工作室套装可提供六面体和四面体体网格以及三角形和四边形混合表面网格，为不同状况提供不同的适用方法。
为在不影响性能的情况下改善六面体网格的准确性，CST工作室套装在其时域求解器中使用了理想边界拟合(PBA)(R)技术。PBA保持了常规阶梯网格的速度优势，同时又能在不使用极高密度网格的情况下就能准确地对曲面结构进行网格剖分，使得仿真速度和精度达到了统一。
曲面元使得四面体网格和表面网格不管在高频还是低频仿真中都极具优势。此外，CST频域求解器的网格加密算法是真正几何结构自适应。真正几何结构自适应永远对原始的未经任何近似的模型结构进行网格加密平滑，能极大的提高仿真精度。
采用传统网格自适应法（左）和CST真正几何结构自适应（右）的同轴波导。
用于简单反射面天线的各种网格划分策略如下图所示：
阶梯六面体（左上）、曲面四面体（右上）、曲面表面元（左下）以及CST的专有技术PBA（右下）。
可以看到无论是六面体网格还是四面体网格，CST都具有非常强大的技术积累和优势。
多物理场
电磁学与其他物理场有着紧密的联系，包括力学和热力学。因此，从电机和发电机到电磁炉和微波炉，多物理场分析成为众多不同组件设计的必需。在许多情况下，电效应和磁效应难以与热效应和机械效应分开，例如，大功率滤波器在使用时会发热，这样会导致滤波器产生热形变从而影响滤波性能。
为计算这些错综复杂的热效应和力效应， CST工作室套装提供稳态热求解器、瞬态热求解器、共轭热传递(CHT)求解器和结构应力求解器。这些多物理场求解器与电磁求解器紧密配合，并且使用系统装配和建模(SAM)架构即能自动设置仿真。通过SAM，计算出的温度分布和形变能传递回电磁仿真供开展敏感度分析，也能进行收敛性分析，用于计算包含电磁-热反馈回路的器件的稳态解。
微波炉：微波炉的多物理场仿真（炉门网格未显示）—左侧：频率为2.45GHz的电场；右侧：30秒后的温度分布。
电子冷却：流经散热器的气流。
为支持多物理场仿真，CST工作室套装支持一系列非线性和温变材料。对MRI和RF透热疗法等生物学应用，身体组织的独特热属性，如随身体温度变化的血流的冷却效应，可能会给体内温度造成严重影响。包括生物热传导方程在内的热求解器能对安装到人体内的装置开展真实仿真。此外，共轭热传递(CHT)求解器还具备计算流体动力学的功能，能仿真流经器件的空气流，以便为电子器件的散热进行建模。
CST并入达索后与达索子品牌SIMULIA(R)的链接，进一步增强和拓宽了CST的多物理场应用。后面我们还会给出具体的例子来说明。
这期的内容有点长，主要介绍了保证仿真精度的几个方面。要想仿真做的准确，1）完备性的算法，2）准确的结构和材料建模，3）高精度高鲁棒性的网格都是保证仿真精度的重要点。除此之外还介绍了CST工作室多物理场的功能，电磁产生热，热产生形变，形变改变电磁特性，在一些大功率的场景下也是非常需要考虑的问题，能进一步保证实际情况下仿真的准确性。
下期继续为大家介绍仿真另一个核心要素——速度。
