1、复杂电磁环境中准确仿真的重要性

随着信息革命推动电子系统的日益复杂化，多功能组件的尺寸不断缩小，电路、封装和系统层面的复杂性也随之增加。更高的集成电路速度、数据速率和更密集的配置加剧了与电源完整性、信号完整性和电磁兼容性/干扰（EMC/EMI）相关的问题。这种日益增加的复杂性，加上电磁频谱的日益拥挤，凸显了仿真这些复杂条件的重要性。例如，现代战场呈现出一个高度复杂的电磁环境，使得在这种条件下准确仿真系统性能成为国防和航空航天工程的关键方面。

CST Studio Suite 作为领先的高性能 3D 电磁分析软件包，提供了一套全面的工具，旨在应对复杂电磁环境仿真的多方面挑战。其集成的设计环境和多样化的求解器模块为工程师和研究人员提供了建模、仿真和分析整个频谱范围内电磁现象的能力。凯思软件工程公司作为国内领先的电磁仿真解决方案提供商，不仅深度整合CST等国际工具，更针对中国用户的特殊需求提供定制化开发与技术支持，助力用户高效应对仿真挑战。结合凯思软件在CST studio suite的实际应用经验，本文将深入分析 CST Studio Suite 的技术和方法，以准确应对复杂电磁环境仿真的挑战。

2、复杂电磁环境仿真的关键挑战

仿真复杂电磁环境面临诸多挑战。随着网络物理系统设计复杂性的增加，其特征是更小的尺寸和更高的工作频率，导致电源完整性、信号完整性和 EMC/EMI 问题的加剧。电磁仿真对于解决这些设计挑战至关重要，但其本质上是资源密集型的，通常需要将整体设计分割成较小的部分进行分析，这可能会引入设计周期的风险。连接器的加入进一步增加了分析的复杂性，因为高频效应的影响。传统的工程工作流程通常涉及跨多个软件工具的设计和仿真，每个工具都有不同的用户界面和产品设计数据库，从而增加了设计错误的可能性，并使设计变更的追溯成为主要挑战。

无线和异构连接需求的增加要求强大的电磁仿真，以防止设备之间的干扰。对于先进武器的电磁频谱建模和仿真尤其具有挑战性，因为这些武器依赖于复杂的电磁攻击和反击能力，从而创建了一个极其混乱和复杂的电磁环境。当前的计算建模和仿真工作必须在合理的时间范围内有效应对环境的非线性、规模和复杂性，提供对资源可变性和任务风险决策具有认知意义的结果。

例如，在汽车行业，设计师和工程师面临着为天线找到最佳位置的挑战，同时还需要考虑电磁干扰、机械约束、计算流体动力学和造型问题。车辆中日益增加的连接需求使得在设计过程的早期解决这些复杂性变得至关重要。此外，必须仔细控制共安装系统之间的干扰，以避免一个天线的辐射场干扰其他基于天线的系统。安全方面的问题也源于高功率发射天线在周围区域产生的强电磁场，可能危及人员、弹药和燃料。准确仿真这些多样化的场景需要能够处理大规模、多尺度和高频效应的复杂工具。

3、CST Studio Suite 用于电磁仿真的核心技术和方法

3.1. CST Studio Suite 的集成设计环境和求解器模块概述

CST Studio Suite 是一套全面的电磁仿真软件模块，集成在一个直观的用户界面中。这种集成环境简化了设计、分析和优化电磁组件和系统的工作流程，覆盖了从静态到光学的广泛频率范围。该套件中的关键模块包括：CST Microwave Studio（CST MWS），专注于高频组件的 3D 电磁仿真；CST EM Studio，用于静态和低频设备仿真；CST Particle Studio，用于分析三维电磁场中的带电粒子动力学；CST Cable Studio，用于电缆束的信号完整性和 EMC/EMI 分析；CST PCB Studio，专注于印刷电路板的信号和电源完整性以及 EMC/EMI 分析；以及 CST MPhysics Studio，用于分析电磁场的热和机械效应。

图1 CST高频时域分析

图2 CST多物理场分析

CST Studio Suite 的核心是其多样化的求解器模块，每个模块都采用不同的数值方法，针对特定的电磁问题进行优化。这些方法包括有限元法（FEM）、有限积分技术（FIT）、传输线矩阵（TLM）法、矩量法（MoM）、多级快速多极子法（MLFMM）和边界射线追踪法（SBR）。这种“完整技术”方法使用户能够为其特定应用选择最合适的求解器，甚至可以在同一界面中使用不同方法交叉验证仿真结果。

3.2. 准确性、速度和易用性的重视

CST Studio Suite 的开发遵循三个核心原则：准确性、速度和易用性。该软件经过持续开发，其求解器经过数十年的研究，以确保电磁场的计算既准确又高效。为了增强易用性，CST Studio Suite 具有用户友好的界面，采用面向工作流程的带状 GUI，以及全面的导入和导出工具，便于与各种 CAD 和 EDA 设计流程无缝集成。此外，系统组装和建模（SAM）的引入简化了复杂仿真项目的管理，使工程师能够直观地构建电磁系统并管理复杂的仿真工作流程。这种对准确性、速度和易用性的重视反映了为用户和应用程序提供强大且易于使用的仿真工具的承诺。

4、CST 中用于解决电磁问题的关键算法的深入分析

4.1. 有限元法（FEM）

有限元法（FEM）是 CST Studio Suite 中用于分析电磁问题的通用数值技术，主要在频域求解器中使用。它在频域中运行，假设时间谐波场，求解麦克斯韦方程。FEM 特别适用于涉及小型到中型模型、谐振结构和多端口系统（如连接器和阵列）的高频应用。为了准确建模复杂几何形状，CST 在其 FEM 求解器中使用自适应四面体网格划分，在电磁场快速变化的区域细化网格。此外，使用高阶元素（包括弯曲四面体）提高了求解的准确性。对于模拟高谐振、无损耗结构（如滤波器），频域求解器结合了模型降阶（MOR）功能，显著加速了 S 参数的计算。这使得 FEM 成为对复杂电磁组件进行详细频率分析的强大工具。

4.2. 有限差分时域法（FDTD）

有限差分时域法（FDTD）是一种广泛应用于复杂介质中电磁场全波分析的时域技术，在 CST Studio Suite 中通过时域求解器实现。该方法通过在交错网格（称为 Yee 网格）上离散空间和时间，求解时域形式的麦克斯韦方程。在 CST Studio Suite 中，时域求解器包括有限积分技术（FIT）和传输线矩阵（TLM）法。FDTD 非常灵活，特别适用于宽带仿真、分析瞬态效应（如静电放电和雷击）以及模拟复杂的 3D 电子设备。它适用于中型到大型模型和具有复杂细节的应用程序。CST 中 FDTD 的一个关键增强功能是完美边界近似（PBA），它允许在立方网格单元内对弯曲表面进行非常好的近似，克服了结构化网格的传统限制。

4.3. 矩量法（MoM）

矩量法（MoM）是 CST Studio Suite 中用于分析电大尺寸结构的强大 3D 全波求解器。它基于矩量法技术，通常与多级快速多极子法（MLFMM）结合使用，以加速特别大模型的计算，而不会显著损失准确性。MoM 是一种表面积分技术，与全体积方法（如 FEM 和 FDTD）相比，在模拟具有大量空白空间的模型时效率更高，例如在天线安装性能分析和散射问题中。CST Studio Suite 还包括一个专门的多层求解器，基于 MoM 技术，优化用于模拟平面微波结构（如 MMIC、馈电网络和平面天线）。积分方程求解器（MoM 与 MLFMM）和多层求解器都包括特征模式分析（CMA）功能，用于计算结构支持的自然谐振模式。

4.4. 其他相关求解器

CST Studio Suite 提供了一套全面的其他专用求解器，以应对广泛的电磁问题。基于射线追踪技术（如边界射线追踪法）的渐近求解器特别适用于分析极大型结构，其中不需要全波求解。特征模求解器用于计算封闭结构（如腔体和滤波器）的谐振频率和相应的电磁场模式。对于涉及不同尺度或需要不同求解器强度的复杂仿真，混合求解器任务允许用户链接和组合时域、频域、积分方程和渐近求解器。此外，CST 提供了一套用于分析静态和低频应用的低频求解器，包括静电、静磁、稳态电流、低频频域和低频时域求解器。对于分析电磁场与自由移动电荷的相互作用，CST 提供了专门的粒子求解器。最后，对于电磁场与其他物理现象相互作用的场景，CST 提供了能够处理电磁、热和机械耦合仿真的多物理场求解器。

5、探索 CST 中复杂几何形状和材料属性的建模能力

5.1. 表示复杂几何形状的技术

CST Studio Suite 具有强大且完全参数化的 CAD 界面，为用户提供了一个直观的环境来构建和编辑复杂的仿真模型。该软件支持从各种 CAD 和电子设计自动化（EDA）软件包无缝导入和导出模型。值得注意的是，CST 与 SOLIDWORKS 提供了完全参数化的双向链接，允许在任一软件中进行的更改直接反映在另一个软件中，从而简化了设计和仿真工作流程。为了在六面体网格上准确表示复杂的曲面，CST 使用了其专有的完美边界近似（PBA）技术。此外，为了简化复杂模型并聚焦于特定区域，CST 提供了“填充周围空间”和“分离形状”等工具。这些功能共同提供了一套强大的能力，用于处理现实世界电磁环境仿真中常见的复杂几何形状。

5.2. 准确建模多样化的材料属性

准确仿真电磁环境需要精确表示材料属性。CST Studio Suite 通过包含一个全面的材料模型库来满足这一需求，该库能够模拟广泛的电磁现象，包括与磁学、光子学和生物物理学相关的效应。该软件支持各种材料类型，包括线性、非线性、频率依赖性和温度依赖性材料，从而能够准确建模复杂的材料行为。对于涉及人体的应用，特别是在医疗和生命科学领域，CST 包括基于体素和 CAD 的人体模型，具有详细的内部分结构和现实的电磁和热属性，便于准确分析设备性能和安全。用户还可以灵活地定义新材料，并输入特定的材料参数，如介电常数、磁导率和电导率，既可以作为固定值，也可以使用公式表示频率依赖性属性。

6、使用 CST 克服复杂电磁环境仿真挑战的详细步骤

6.1. 处理大规模问题

在 CST Studio Suite 中应对大规模电磁仿真涉及战略性地选择求解器并利用高性能计算资源。对于电大尺寸结构，其中物理尺寸为多个波长，渐近求解器和积分方程求解器（MoM 与 MLFMM）特别有效，因为它们的计算效率高于体积方法。CST Studio Suite 还通过多线程支持高性能计算（HPC），允许仿真利用工作站上的多个 CPU 核心。此外，它支持某些求解器的 GPU 加速，显著减少了非常大规模模型的仿真时间。对于更大的计算能力，CST 提供了云计算选项，允许用户利用云的可扩展资源来加速仿真，特别是在持续和突发计算需求的情况下。

6.2. 应对多尺度结构

在 CST Studio Suite 中，使用混合求解器任务可以高效地处理具有多个长度尺度特征的结构。这一强大功能允许工程师在单个仿真项目中链接不同的求解器，例如用于精细细节的时域求解器和用于大型结构的积分方程求解器。这允许为仿真域的不同部分优化网格划分和求解器设置，从而提高准确性和计算效率。例如，模拟安装在大型飞机上的小天线可以通过使用时域求解器分析天线，并使用积分方程求解器分析飞机结构，通过混合求解器任务链接来实现。

6.3. 管理高频效应

CST Studio Suite 提供了一系列专门的求解器和技术，用于准确管理高频电磁效应。时域求解器（通过其 FIT 和 TLM 实现）非常适合宽带和瞬态高频分析，而频域求解器（FEM）则适用于分析谐振结构和窄带高频应用。在高频下，适当的网格划分策略至关重要，CST 提供了自适应网格划分功能，可以在高场梯度区域自动细化网格，确保准确的结果。完美边界近似（PBA）进一步帮助准确建模弯曲几何形状，这是高频应用中的常见问题，通过在六面体网格上提供精确表示。

6.4. 优化技术

CST Studio Suite 集成了全面的局部和全局优化算法，使工程师能够自动改进在复杂电磁环境中运行的设计性能。这些优化器可以与所有求解器一起使用，以优化模型的任何设计参数，如几何尺寸或材料属性。可用的特定优化算法包括协方差矩阵适应进化策略（CMA-ES）、信任区域框架（TRF）、遗传算法、粒子群优化、Nelder Mead 单纯形算法和插值拟牛顿法。通过参数化仿真模型，工程师可以进行设备行为的研究，并利用这些优化例程实现所需的性能目标。

7、展示 CST的有效性：复杂电磁环境中的案例研究和应用说明

CST Studio Suite 已在各个行业广泛采用，以应对复杂电磁环境仿真的挑战。在航空航天领域，它用于分析飞机上安装的天线性能、评估 EMI 屏蔽效能以及确定机身的雷达截面。汽车行业利用 CST 优化车辆上的天线放置、分析电缆束的 EMC、模拟汽车雷达系统以及开发车辆到一切（V2X）通信技术。在电信领域，CST 对于设计和优化 5G 网络的 MIMO 天线阵列至关重要，确保在密集信号环境中的最佳性能。医疗设备行业使用 CST 分析 MRI 系统的安全性、评估植入物与电磁场的相互作用以及设计可穿戴医疗设备。此外，CST 广泛用于各种电子设备和系统的 EMC/EMI 分析，以确保符合法规并防止干扰问题。CST 中的系统组装和建模（SAM）框架简化了由多个单独组件组成的整个设备的分析，使工程师能够在复杂的系统级场景中模拟和优化其性能。

8、CST 技术中的最新进展和新功能，以提高复杂电磁环境仿真的准确性

CST Studio Suite 不断发展，最近推出了专门用于增强复杂电磁环境仿真准确性和效率的新功能。最近的更新包括求解器技术的显著改进，例如频域求解器和域分解求解器的内存效率和速度提升，特别有利于模拟大型天线阵列。MIMO 和相控天线阵列的设计工作流程得到了改进，新增了顺序执行的激励列表和域分解功能。在 EMC 仿真领域，引入了新的向导和项目模板以简化工作流程，同时改进了频域求解器的采样方案和电缆仿真能力。在 EDA 和 PCB 仿真方面，最近的进展包括对 IPC-2581-C 的支持、改进的 CAD 导入功能以及用于先进 PCB 的增强网格划分算法。低频仿真能力通过集成 Opera 静磁求解器和改进用于感应无线充电应用的 Litz 线建模得到了扩展。热和多物理场仿真也取得了进展，CHT 求解器现在支持与温度监测器连接的时间变量气流风扇，并改进了与 Abaqus 的结构分析耦合工作流程。此外，CST Studio Suite 与 3DEXPERIENCE 平台的紧密集成实现了跨不同团队和部门的高效协作，促进了设计迭代和数据管理。增强的 Python 脚本功能允许对建模和后处理任务进行更大的定制和自动化。

9、比较分析：CST Studio Suite 与其他领先电磁仿真软件包的方法

与 Ansys HFSS 和 Altair Feko 等其他领先电磁仿真软件包相比，CST Studio Suite 的几个关键差异和优势显而易见。CST 通过在一个集成环境中提供一套全面的求解器而脱颖而出，使用户能够灵活选择最适合其特定仿真需求的方法。虽然 HFSS 主要依赖有限元法，但 CST 提供了时域（FIT/TLM）、频域（FEM）和积分方程（MoM/MLFMM）求解器等多种选择。一些来源表明，HFSS 可能具有更快的 CPU 代码，而 CST 在 GPU 加速方面表现更好。在用户界面和易用性方面，CST 通常被认为比 HFSS 更友好，后者可能需要更多手动配置来完成某些任务。HFSS 传统上以其在天线设计和高频仿真中的准确性而闻名。

与 Altair Feko 相比，后者在用于天线放置和大规模散射问题的矩量法方面表现强劲，CST 则强调在宽带和瞬态分析中表现出色的时域求解器，使其在 EMC/EMI 研究中特别有吸引力。尽管 Feko 的界面专注于天线和 RCS 应用，但 CST 提供了高度可视化的 CAD 集成体验，这对跨多个学科工作的工程师非常有益。CST 的集成环境（所有求解器都在一个用户界面中可用）与 Feko 的更为专业化的焦点形成对比。最终，选择这些软件包通常取决于具体的应用需求、用户对软件的熟悉程度以及可用的计算资源。然而，CST Studio Suite 的多样性、全面的求解器组合以及用户友好的界面使其成为应对各种复杂电磁环境仿真任务的有力竞争者。

表 1：CST 算法在不同仿真场景中的比较

表 2：CST Studio Suite 与 Ansys HFSS 和 Altair Feko 的比较

10、结论：利用 CST Studio Suite 的力量实现复杂电磁环境的准确高效仿真

CST Studio Suite 作为一个强大且多功能的工具，能够准确高效地仿真复杂电磁环境。其全面的求解器组合，涵盖时域、频域以及专门针对电大尺寸结构和多尺度问题的技术，使工程师和研究人员能够应对各种挑战。该软件强大的建模能力，包括参数化 CAD 界面、PBA 技术和广泛的材料库，确保了复杂几何形状和多样化材料属性的高保真表示。通过战略性地选择适当的求解器、利用高性能计算资源并使用混合求解器任务，用户可以有效地解决大规模和多尺度的仿真问题。此外，CST 的高级网格划分技术和专门的高频求解器使得高频效应的准确分析成为可能。集成的优化工具允许系统化地探索设计和提升性能。在各个行业的众多案例研究和应用说明证明了 CST Studio Suite 在现实场景中的有效性。持续的进步以及与 3DEXPERIENCE 平台的集成进一步巩固了 CST 作为应对电磁环境仿真复杂性的领先解决方案的地位，最终为电磁系统的设计、性能和可靠性的提升做出了贡献。

CST Studio Suite是电磁仿真的国际标杆，而广州凯思软件工程公司作为其中国区战略合作伙伴，通过技术增值与本地化服务，帮助用户精准解决“卡脖子”问题。无论是合规性适配、性能优化，还是跨学科协同，凯思软件均能提供“软件+咨询+定制”的一站式解决方案，助力中国企业在复杂电磁环境仿真中抢占技术制高点。