CST2013设计实例中文教程

CST天线设计和天线阵设计—CST2013设计实例
这个设计实例主要介绍和演示如何使用CST微波工作室来仿真设计分析天线和天线阵，分析给出天线、天线阵的S参数和辐射方向图等远区场性能结果。

设计操作使用的软件版本是CST2013.
设计实例介绍了平面天线的设计分析的全过程，以及一个2x2天线阵的仿真分析过程，在CST微波工作室中有多种不同的方法分析阵列天线问题，用户可以将单个天线的远区场叠加得到天线阵的远区场结果；用户也可以构造四个相同的天线，都有各自的激励，然后顺次分析计算所有天线后，讲分析结果合并；或者各个天线单元并行激励，只计算一次给出远场结果。

我们强烈建议您仔细阅读，通过CST微波工作室开始和CST微波工作室的工作流程和求解概述手册在开始本教程前。

上面描述的结构是由两个不同材料的基板和完美的电导体（PEC）。

没有必要对空气进行建模，因为它会自动添加（根据当前背景材料设置），当指定的开边界条件时。

这将是自动完成的一个适当的模板。

用一个同轴线路实现贴片的馈电。

几何作图步骤
本教程将带你一步一步地通过你的模型的建设，并提供相关的屏幕截图，以使您可以加倍检查您的作品一路上。

请记住在事件中撤消设施，您希望取消最后一个施工步骤。

Create a New Project
发射后的CST工作室套装你会进入开始屏幕显示您最近打开的项目列表，并允许您指定适合你要求的最佳应用。

开始的最简单的方法是配置一个项目模板，该模板定义了对典型应用程序有意义的基本设置。

因此，点击“新建项目”部分的“新建项目”按钮。

接下来，你应该选择应用领域，这是微波和射频的例子在本教程中，然后选择工作流程，双击对应的输入。

对于贴片天线结构，请选择Antennas Planar (Patch, Slot, etc.) Time Domain Solver.
对于本教程中的具体应用，其他设置可以保持不变。

在单击“下一步”按钮后，您可以给该项目模板一个名称，并回顾一个初始设置的摘要：
最后单击“完成”按钮以保存项目模板，并使用适当的设置创建新项目。

CST微波工作室会自动启动，由于应用领域的微波与射频的选择。

请注意：当您再次点击File:New and Recent您将看到最近定义的模板
在项目模板部分的下方。

为进一步的项目在同一应用领域，你可以简单地点
击这个模板加入有用的基本设置启动CST微波工作室。

每次定义一个新的模
板是没有必要的。

您现在可以开始使用合理的初始设置的软件很快，只需点
击相应的模板。

请注意：在您的模型的构建过程中，可以修改项目模板的所有设置。

例如，
单位可以在“单位”对话框中进行修改(Home: Settings Units )
和求解器类型可以选择Home: Simulation Start Simulation下拉
列表。

设置工作平面的性质
下一步通常是将工作平面特性设置为使您的设备足够大。

因为该结构具有沿一个坐标方向的最大延伸 毫米，工作面大小应设置为至少100毫米。

这些设置可以在选择打开后的对话框中改变View:Visibility Working Plane Working Plane Properties.
请注意，我们将使用相同的文档在这里介绍的工作流程和解决概述手册。

在这个对话框中，您应该将大小设置为100（先前已设置为毫米的单位，在状态栏中显示），光栅宽度为2，单元宽度为0.1，以获得一个合理间隔的网格。

请按“确定”按钮确认这些设置。

Draw the Substrate Brick
平面结构建模的第一个施工步骤通常是定义基底层。

这可以很容易地实现由创建一个砖制成的基板材料。

请激活砖创造模式Modeling:Shapes Brick.
当你被提示来定义第一个点时，通过按“键盘”来输入坐标，打开下面的对话框：
在这个例子中，你应该进入一个有60毫米的延伸的横向方向的基板块。

横向坐标，因此可以描述为×= 30，= - 30的第一角和×= 30，= 30的相对角，假设砖是仿照对称的起源。

因此，请输入第一点坐标= - 30和= - 30在对话框中，按“确定”按钮。

之后，你可以重复这些步骤的第二点：
1。

按标签键
2。

输入= 30，= 30在对话框中，按确定。

现在你将被要求进入砖的高度。

这也可以通过再次按下TAB键数值指定，进入高度0.7按按OK键（可以很方便的在负方向确定基材）。

现在下面的对话框将出现，显示你以前输入的摘要：
请仔细检查所有这些设置。

如果遇到任何错误，请在相应的输入字段中更改该值。

你现在应该指定一个有意义的名字的砖进入例如名字场衬底，保持组件的默认设置
（1）。

请注意：使用不同的组件，允许您将几个固体分为特定的组，独立的材料的行为。

然而，在本教程中，它是方便地构建一个单一的贴片天线的表示的一个组成部分，可以很容易地
扩展到一个贴片天线阵列。

最后，你需要定义基片材料。

因为没有材料尚未为基材的定义，你应该选择[New
Material...]从材料下拉列表：
在这个对话框中，定义一个新的材料名称（如基片），并将其设置为一个普
通的介电材料。

然后，指定材料属性的ε和多领域。

在这里，你只需要改变
介电常数ε2.33。

最后，选择一个颜色的图层按按钮。

在按下“确定”按钮之
前，您的对话框应该与上述图片类似
请注意：在当前项目中，定义的材料基片将可用于进一步的其他固体的创
建。

但是，如果你想把这个特定的材料定义为其他项目，你可以检查按钮添
加到材料库。

你可以通过点击来访问这个材料数据
库Modeling:Materials Material Library Load from
Library .
在“砖制作”对话框中，您还可以按“确定”按钮来创建基板砖。

你的屏幕现在应该看起来如下：（你可以按空格键，以最大限度地缩小结构）：
Model the Ground Plane
下一步是模拟贴片天线的接地平面。

由于天线将底面同轴馈电的兴奋，在零点之前选择的模板定义电气边界不适合作为地平面。

因此，必须另外定义一个金属砖。

首先，模型必须通过激活旋转模式来旋转View:Mouse Control Rotate . 然后，底面必须被激活的人脸选择工具Modeling:Picks Picks Pick Points, Edges or Faces双点击在基板上底面。

人脸的选择应该是可视化如下：
你现在可以将选定的脸上挤出的工具选择Modeling:Shapes Extrude.在这里，你必须进入新的形状的高度和材料的创建。

在这个例子中，接地平面必须有一个非零的厚度，因为同轴的进给，将建模后。

在CST微波工作室港口区域必须均匀至少三纵向网格线。

因此，您可以选择一个高度为2.1毫米，占三倍的基板厚度，作为一个足够的尺寸。

进入这个值在下面的对话框中，选择从下拉列表的PEC材料为金属材料的性能：
输入一个合适的名字（如接地），并用“确定”按钮确认你的设置，当前的结构会像这样
（旋转一次又一次地看到顶部的面）：
模型贴片天线
在接地平面被定义后，该贴片天线必须被建模为在基板上的顶部面上的圆筒形。

请激活气缸创建模式Modeling:Shapes Cylinder. 类似于建筑的基板砖，进入坐标数
字按标签键打开下面的对话框：
在这里，进入气缸的中心点与×= 0和= 0，因为在基板上的补丁是对称的。

之后，请定
义半径
23.2毫米和0.07毫米的高度，在显示的对话框，显示后，你按下按钮按钮：
跳绳的内半径的输入对话框，按ESC键将导致以下对话框，提供你的输入参数的总结：
选择PEC为材料为贴片设定和砖指定一个有意义的名称在名称输入字段中输入如补丁。

再次，请仔细检查设置并更改相应的输入字段中的任何错误。

应用“确定”按钮后，您的
屏幕应该显示以下结构：
同轴送料模型
最后一个建模步骤是同轴馈电的天线的激励源的建设。

这一行动介绍工作坐标系（WCS）。

因为进料点位于非对称的圆形补丁，这是可取的，以
激活本地坐标系统Modeling:WCS Local WCS.
定义为同轴馈电的局部坐标系是沿正V向上移动的新的中心点Modeling:WCS Transform WCS. 因此，请在下面的对话框中输入9.2毫米的值：
现在，它是可能的设计的同轴饲料，通过构建2个圆筒形的形状，类似于先前定义的圆形补丁。

请重新启动气缸创建模式(tool Modeling:Shapes Cylinder). 首先，输入使用标签键的同轴基板缸的值，再跳过内部半径的输入。

气缸有一个4毫米外径和2.1 + 0.7 = 2.8毫米负W向延伸。

选择先前定义的基板材料从材料下拉列表。

请检查以下对话框的设置，然后用“确定”按钮创建气缸：
作为一个结果，圆筒形1：solid1与两原有的形状，固体成分：基板和地面：地面1。

在这里，它是必要的，以确定类型的交叉点的形状。

它是将两基板材料为单一的形状更方
便，所以请在“无线”按钮上加上两个形状，在“形状交叉”对话框中，点击ok确认：
在第二种情况下，基板气缸必须插入接地平面的金属材料。

请在“形状交叉”窗口中标记“无线”按钮插入“高亮形状”，并再次确认“确定”：
下面的截图可以让你仔细检查你的模型（请使用Ctrl + W或
View:Visibility Wire Frame 切换线框显示模式和关闭）：
内导体是通过定义另一个气缸由PEC材料构造。

请用1.12毫米的外半径，再以类似的方式在负W向2.8毫米扩展定义气缸。

这一次，选择PEC从材料下拉列表和定义了一个合适的名字（如饲料）为圆柱形状。

按“确定”按钮创建气缸。

请注意：在这种情况下没有形状的交叉对话窗口会出现，因为导体形状正常物质形态后（这里定义：基板）。

这意味着，PEC形状自动插入交叉形成。

更多细节参见工作流程和解决概述手册。

申请后的OK按钮最终的模型会像下面的图（再次使用Ctrl +w, or
View:Visibility Wire Frame 切换线框显示模式和关闭）：
常见的求解器设置
到这一点上，只有结构本身已被建模。

现在，它是必要的，以确定一些求解特定元素。

一个S参数的计算必须定义输入和输出端口。

此外，模拟需要知道如何计算域应终止在其边界。

定义波导端口
下一步是将激励端口添加到贴片天线装置中，该天线装置将稍后计算反射参数。

端口模拟一个无限长的同轴波导结构，连接到结构的端口平面。

波导端口将结构扩展到无限。

其横向延伸必须足够大，足以覆盖相应的模式。

与之相反的是开放的端口结构，在这种情况下的端口范围内明确定义的外屏蔽导体的同轴波导。

因此，最简单的方法来定义端口范围是选择的脸（选择工具
Modeling:Picks Picks Pick Points, Edges or Faces) 在同轴送料（基板材料）如下所示（该模型是旋转再次向底部第一）：
请打开“波导”对话框(Simulation:Sources and Loads Waveguide Port)定义端口：
在这里，你必须选择一个有多少种模式应该被认为是由港口。

对于一个简单的同轴端口，只有一个内导体，通常只有基本的透射电子显微镜模式是感兴趣的。

因此，你应该保持一
个模式的默认设置。

请确认您的端口设置与“确定”按钮，以最终创建端口。

旋转模型再次顶面后，你的模型应该看起来如下（请再次使用Ctrl + W切换线框显示模式和关闭）：
定义的频率范围
模拟的频率范围内，应选择与照顾。

使用一个瞬时解算器或频域解算器（见下章）时，必须使用不同的注意事项。

在这个例子中，S参数来计算2和3 GHz的频率范围在。

打开“频率范围”对话框
(Simulation:Frequency and Boundaries Frequency) 在按下确定按钮之前，输入的范围从2到3（千兆赫）（频率单位以前被设置为千兆
赫，并显示在状态栏）：
边界条件
因为计算域仅是一个有限的体积，它是必要的定义的边界条件，包括外部空间的影响。

请选择打开“边界条件”对话
框 (Simulation:Frequency and Boundaries Boundaries and
Symmetries ),在主视图中同时显示所有当前选定的边界条件：
在地平面上，电边界条件已被设定，像是一个无限大固体金属砖。

所有其他的边界层都设置为打开或打开（添加空间），它们在它们的边界平面后面实现自由空间。

自由空间意味着电磁场被吸收在这些边界，几乎没有反射，如果它们在无限的空空间传播。

请注意：作为一个一般规则，开放边界条件的工作最好，如果它们是至少8 / 1波长除了从外地来源。

打开（添加空间）已经包含了这个规则，并自动添加了正确的背景空间的结构。

因为开放（加空间）边界条件只会增加背景材料的结构，它不应该使用，如果有材料跨越的边界平面，应切实扩展到无限（如在这个例子中的基板和地面固体）。

在这些情况下，必须调用开放边界条件。

请关闭此对话框，而无需任何更改。

定义远场监测
除了S参数，对天线设备的主要结果是在一个给定的频率远场分布。

在CST微波工作室的求解提供了可能性，确定几场监视指定的频率域数据将存储。

请选择打开“监视定义”对话框Simulation:Monitors Field Monitor:
在这个对话框中，你应该首先选择式远场/ RCS之前指定频率监视器在频率域。

之后，按“应用”按钮来存储监视数据。

请定义一个监视器的频率为2.4（与千兆赫是当前活动频率单位）。

但是，您可以在其他频率下定义额外的监视器，每次按应用按钮以确认设置并在导航树的监控文件夹中添加监视器。

在监视器定义完成后，请按“确定”按钮关闭此对话框。

S参数和远场计算
CST微波工作室的一个关键特征是该方法的需求的方法，允许指定的模拟器或网格型是最适合一个特定的问题。

另一个好处是比较完全独立的方法的结果的能力。

我们证明这种力量在下面通过计算S参数和构造的天线装置的瞬态和频域求解远场两款。

瞬态仿真采用六面体网格在频域计算是在这种情况下，一个四面体网格进行。

然而，因为这两种方法都是自成体系的，它只需通过其中的一个就足够了。

本章结束的比较的方法。

请注意，并非所有的解算器可能会提供给您，由于许可证限制。

请与您的销售办事处联系以了解更多信息。

瞬态求解器
频率范围为瞬态求解器注意事项
我们建议使用合理的大带宽的20%至100%的瞬态模拟。

在这个例子中，S参数来计算2和3 GHz的频率范围在。

与中心频率为2.5千兆赫，带宽（3千兆赫- 2千兆赫= 1千兆赫）是40%的中心频率，这是在推荐的时间间隔。

因此，您可以简单地选择所需的频率范围为2和3兆赫之间。

请注意：在一个你只覆盖小于20%的带宽的情况下，你可以增加的频率范围，而不会失去精度。

这个扩展的频率范围可以加快你的模拟超过三个因素！
与频率域解算器相比，较低的频率可以被设置为零，没有任何问题！如果较低的频率被设置为零，而不是如0.01千兆赫，计算时间可以减少一半。

瞬态求解器设置
求解器的参数是指定的瞬态解算器参数对话框，可以打开通过选
择Home:Simulation Start Simulation Time Domain Solver:
可以接受默认设置，然后按开始按钮来运行计算。

一个进度条出现在主窗口的底部，显示信息的计算状态。

当求解器已成功完成时，这个进度窗口就消失了。

在仿真过程中，消息窗口会显示一些细节的执行模拟。

请注意：在模拟过程中，如果有任何警告或错误消息，它们将被写入消息窗
口中，以及。

恭喜你，你有模拟的圆形贴片天线使用的瞬态解算器！让我们回顾一下结
果。

瞬态求解器的结果
1D结果（端口信号，S参数）
首先，观察端口信号。

打开导航树上的一维结果文件夹，然后点击端口号文
件。

请注意：在计算过程中，可以观察到结果的进展情况。

然而，为了获得完整
的信息，等到解决者已经完成。

此图显示的入射和反射波振幅在波导端口与时间。

入射波的振幅为I1（指港口名称：1）和反射波振幅o1,1。

从上面的时间信号图中，贴片天线阵列具有一个强烈的共振，导致一个缓慢下降的输出信号。

对于天线的一个主要的结果是S11参数，如果你点击了一维S参数结果文件夹从导航树中选择出现1D Plot:Plot Type dB. 下面的截图显示了反射参数：
这是可能的，以精确地确定的工作频率的贴片天线。

激活轴标记按按1D
Plot:Markers Axis Marker或按鼠标右键，选择“显示轴标记”选项，从上下文菜单中选择“显示轴标记”选项。

现在你可以移动标记S11最小精确的共振频率约为2.4 GHz的微带贴片天线。

反射参数中出现的波纹，由于时间信号不足够衰减（在时间信号图上再次检查）。

的纹波的振幅的增加而剩余的瞬时解算器运行结束时的信号幅度。

然而，这些涟漪不影响的谐振频率的位置，因此可以忽略此示例。

关于这种类型的数值误差的更多信息，可在精度方面考虑章。

2D和3D的结果（端口模式和远场监视器）
你应该先检查端口模式，可以通过导航树开放的二维/三维效果图文件夹容易显示端口模式。

对基本的端口模式的电场可视化，在E1文件夹点击。

在正确地旋转视图和调整一些设置的情节属性对话框中，你应该得到一个类似于下图的图（请参阅的工作流程和解算器概述手册，以了解如何改变图参数）：
该小区还显示了一些重要的特性的同轴模式，如透射电子显微镜模式的类型，传播常数和线路阻抗等。

此外，共振频率，远场天线的设计是一个重要的参数。

天线装置的远场的解决方案可以通过选择相应的监测项目在远场文件夹导航树。

例如，在频率为2.4 GHz的远场可以通过点击远场远场可视化（f = 2.4）[ 1 ]进入，显示的方向性对φ和θ角
请注意：您有更改的选项FarField Plot:Plot Properties
Properties角步到5度角的准确度较好。

显然在上面的图中，最大功率是在正方向的辐射。

请注意，还有其他一些可用的情节远场选择：极坐标图，笛卡尔积和2D图。

精度考虑
瞬态参数计算的数值不准确两源主要影响：
1。

有限时间间隔内的数值截断误差。

2。

有限网格分辨率所产生的不准确。

在下面的部分中，我们提供了提示如何减少这些错误，并实现高准确的结果。

1。

由于有限时间间隔的数值截断误差
作为一个主要的结果，瞬态解算器计算的时间随时间变化的电场分布，在输入端口的高斯脉冲激发的结果。

因此，信号端口的基本结果，S参数，使用傅里叶变换得到。

即使时间信号的准确性是非常高的，数值不准确，可以引入由傅立叶变换，假定时间信号已完全衰减到零的末端。

如果后者是没有的情况下，纹波引入影响结果精度的S参数。

仿真时间间隔结束时激励信号的幅值被称为截断误差。

的纹波的振幅的增加与截断误差。

请注意，这种波动不会在S曲线移动的最小值或最大值的位置。

因此，如果你只是感兴趣的位置的峰值，较大的截断误差是可以容忍的。

截断误差的水平可以被控制的精度设定在瞬态求解器控制对话框。

30分贝的默认值通常会给出足够精确的结果。

然而，为了获得高精度的结果，天线结构，它有时是必要的，以提高精度为40分贝或50分贝。

由于提高了模拟的精度要求，对截断误差进行了计算，增加了仿真时间，对精度要求进行了规定。

作为一般规则，可以使用以下表格：
Desired Accuracy Level Accuracy Setting (Solver control dialog box)
Moderate -30dB
High -40dB
Very high -50dB
以下规则可能是有用的，例如：如果你发现在S大纹波，提高解算精度的设置。

2。

网格的分辨率对S参数精度的影响
从有限的网格分辨率所产生的不准确通常更难以估计。

为了保证解的精度是提高网格分辨率和测量S参数的唯一途径。

当网格密度增大时，结果不再显著变化，并实现了收敛。

在上面的例子中，你已经使用了一个自动生成的默认网格系统。

该结果的准确性是最容易测试的全自动网格自适应，可以通过检查在求解控制对话框的自适应网格细化选项切换( Home:Simulation Start Simulation Time Domain Solver ):
请注意，先前选择的模板已经改变了默认设置的能量为基础的自适应策略，更方便的平面结构。

现在开始解算，按开始按钮。

在这个例子中，2个适应通行证是必要的，以获得一个合适的结果。

这意味着第一和第二运行之间的S参数的最大偏差小于2%。

网格自适应过程的输入反射s1,1收敛过程可以通过选择一维可视化
Results Adaptive Meshing S-Parameters S1,1从导航树和选择分贝规模：
您有减少的网格适应的精度限制或开始适应一个更细的起始网格分辨率，以获得更精确的结果。

然而，这些选项会增加模拟时间和可能后的天线装置的基本设计状态完成更可取。

获得一个解决方案的可靠性的另一种可能性是用一个完全不同的求解器和网格类型进行二次模拟，如以下章节所示。

请注意：指工作流和求解概述手册使用基于模板的后处理的自动提取及各种仿真结果可视化运行任意的更多信息。

频域求解器
CST微波工作室提供各种频域求解器，是专门针对不同类型的问题。

它们不仅不同于它们的算法，而且是由它们所基于的网格类型不同的。

通用频域求解器可用于六面体网格和四面体网格。

在同一环境中的频域解算器的可用性提供了一个非常方便的方法，交叉检查结果产生的时间域求解器，以最小的额外的努力。

复制瞬态求解器的结果
在进行模拟与频域解算器，您可能要保持瞬态解算器的结果，让一个简单的比较，模拟。

获取当前结果的复制：选择，例如，在|的| DB文件夹中的一维结果，然后按Ctrl + C和CTRL + V的结果曲线的副本将在选定的文件夹中创建。

该副本的名称将s1,1_1。

你可以将它重新命名为s1,1_td从上下文菜单therename命令。

使用“添加新树”文件夹从上下文菜单中创建一个额外的文件夹。

请注意，在当前的时间，它是不可能作出的二维或三维结果的副本。

优化结构的四面体网格
在下面的部分中，一般用途的频域解算器被施加到四面体网格。

如果有非常小的金属片这个求解效率较低，但非零厚度，如我们例子中的天线贴片的代表。

因为这层有一个相当小的影响的结果相比，一零的厚度，我们重建的补丁作为PEC表，如以下部分所示。

首先，选择在导航树的补丁，然后选择补丁的底面使用的人脸选择工具
(Modeling:Picks Picks Pick Points, Edges or Faces). 因此，旋转的结构如下图所示，并双击该修补程序。

金属片容易产生选定面应用Modeling:Shapes Faces and
Apertures Shape from Picked Faces:
输入新的形状，一个合适的名字（patch0），按下OK按钮确认创作。

最后，删除旧的补丁(component1 patch) 因此，只有最新创建的补丁与零高度
(component1 patch0) 仍然是。