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CST MWS 培训教程


CST MWS 培训教程

初级教程01-概述 初级教程02-例题 初级教程03-VBA
(v1.1)



2004.09.28 CST MWS用户讲座 上海微系统所

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目次

/>? 例题1:H面波导弯头(S参量) p4 ? 例题2:圆波导喇叭天线(方向图) p45 ? 例题3:T形接头(优化) p70 ? 例题4:雷达反射截面(RCS) p90



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H面波导弯头
要求:仿真H面90°波导弯头的S参数 尺寸:2×4×10cm 频带:4~5GHz

S11(dB)

模型结构图
WinZip File

S21(dB)
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欢迎窗口
启动MWS,首先见到“ 欢迎” 窗口 选中“ Creat a new project” 点击“ OK” 确认

已经创建的文件

自动打开“ 仿真向导” 对初学者很有用



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选择模板
选择Waveguide Coupler模板并确认
CST MWS内建了各类模板 对各种问题都定义了恰当的参数 能有效地节省时间提高效率

模板选取方式: 1. 创建新项目 File->New 2. 随时选用模板 File->Select Template

模板类型


模板参数
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设置工作平面
首先设置工作平面(Edit->Working Plane Properties) 将“捕捉间距”改为1
工作平面大小 在交互式建模时 (通过鼠标来输入坐标) 恰当的设置工作平面可 帮助您精确定位

栅格间距

捕捉间距 (双击鼠标位置分辨率)



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仿真向导
以下步骤可遵循仿真向导(Help->QuickStart Guide)依次进行
已完成步骤

当前步骤

未完成步骤



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设置单位
设置单位(Solve->Units)
合适的单位 可以减少数据输入 的工作量

,将Dimensions单位改为cm

尺寸单位

频率单位

时间单位



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设置背景材料
设置背景材料(Solve->Background Material)
背景材料类型 对闭场问题 将背景材料设为PEC 只画空气和介质部分 可减小建模和运算时 的工作量

,此处不作变动

名词解释:

各个方向增加的尺寸 (只能为正数)

1. 背景材料 -未建模部分皆由背景材料填充 2. 环绕空间 -所建模型边界外增加的额外计算空间
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创建第一个立方体-定点
选择基本形体中的立方体(Objects->Basic Shapes->Brick)
1. 移动鼠标到 X=-2,Y=1 2. 双击,确定第一点 3. 拖动鼠标到 X=2,Y=-1

4. 双击,确定第二点

5. 拖动鼠标到 h=10

6. 双击,确定第三点

观察屏幕右下角(余同)
续 ? CST China - Shanghai - www.cst-china.cn

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创建第一个立方体-生成
7. 在弹出窗口中将物体名字改为straight-1,确定

更改物体名

物体参数输入窗口

8. 第一个物体创建完成! 材料为空气 预览

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设置旋转轴
点击边线工具(Objects->Pick->Edge from Coordinates)
1. 按Tab键,弹出窗口 依次输入3,4,确定 确定 3. 再次弹出窗口 直接确定

2. 再按Tab键,弹出窗口 依次输入3,-4,确定

预览

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操控视角
运用各种快捷键,将视角转向,让我们能观察到物体的底端面
底端面

操控视角快捷键(配合鼠标拖动): 1. Shift      -平面内旋转 2. Ctrl -旋转

3. Shift+Ctrl-平移

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选取端面
点击选面工具(Objects->Pick->Pick Edge) 双击长方体的底端面,将其选上
双击

选取操作快捷键: 1. P-选取端点 3. R-选取圆点 5. E-选取棱边 2. M-选取中点 4. C-选取圆心 6. F-选取端面

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生成旋转结构
点击旋转工具(Objects->Rotate) 输入角度90°,命名为bend,确定
预览

旋转正方向 满足右手法则

旋转角度 旋转总高度差 末始半径比 确定

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选取端面(2)
再次调整视角,选取物体bend的外端面

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生成拉伸结构
点击拉伸工具(Objects->Extrude) 输入拉伸高度10,命名为straight-2,确定
预览

拉伸高度 确定 扭曲度数 张角度数

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建模完成
至此,整个建模工作完成

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视图选项
主窗口的显示可以在视图选项(View->View Options)里调整
这里“显示边界框”的选项较为常用,其它的推荐采用缺省设置 当有特殊需要时,如想得到一张“干净”的图,则可将Draw中的其他选项去掉

显示工作平面 显示坐标轴 显示边界框 显示背景材料 显示文字信息 显示控制点 仅显示线框

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设置频率
设置频率范围(Solve->Frequency)
将上频(Fmax)和下频(Fmin)分别设置为5、4

对TEM波 将下频设置为0 可提高仿真速度 一倍以上 注: 1. 为保证精度,最高频率一般 应该设为工作频率的1.3倍 2. 因时域算法的特点 宽带比窄带仿真速度快 3. 频率单位已预先设定为GHz
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下频

上频

设置边界条件
设置边界条件(Solve->Boundary Conditions )
因模板设定所有的边界都是电边界(electric) 相当于周围都是PEC金属壁,故此处不做变动

边界条件综述: 1. 电边界 2. 磁边界 -切向电场为0 -切向磁场为0

3. Open边界 -波以最小反射穿过 (模拟自由空间) 4. Open (add space)边界 -用于天线远场计算 5. 导体壁边界-边界为有耗金属 6. 周期性边界-用于周期性问题

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设置对称面
设置对称面(Solve->Boundary Conditions->Symmetry Planes)
对此问题,因为电力线都垂直于XZ平面,XZ平面相当于电壁 故可以在XZ平面设置电壁(electric(Et=0)) 以降低一半的网格数目 视仿真问题场分布 设置一到三个对称面 可减少1/2到7/8的网格数 从而减少内存需求 提高仿真速度

对称面综述: 1. 无 -对此平面不设置对称面

2. 电壁-切向电场为0 3. 磁壁-切向磁场为0
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设置端口-步骤
按以下步骤,设置两个波导端口
1. 原始图形 2. 选择端面 3. 单击 直接确认,设置1端口

4. 选择另一端面

5. 再单击 直接确认,设置2端口

6. 观察两个端口

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设置端口-波导端口
设置波导端口(Solve->Waveguide Ports )
弹出窗口直接确定 波导端口通常用于波导、同轴线和微带 等问题的端口设置 它具有馈入能量和吸收返回能量的作用 端口坐标类型: 1、手动输入 2、整个平面 3、所选端面 端口范围 (若已选中平面则自动设置) 此端口处需要吸收的模式个数 (通常用于高次模的吸收)

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设置监视器
设置监视器(Solve->Filed Monitors )
输入频率(Frequency)为4.5(GHz) 选择Type为电场(E-Field),应用(Apply) 时域监视器〔较少使用〕 (特定时间段的电磁场分布) 〔会占用大量存储空间〕

再选择磁场(H-Field/Surface current),确认(OK) 频域监视器〔常用〕 (特定频率的电磁场分布) 〔占用存储空间很少〕 常用监视器类型: 1. E-Field -电场分布 监视器类型

2. H-Field/Surface Current -磁场分布/表面电流 3. Farfiled/RCS -远场辐射特性(天线问题) /RCS(辐射源为平面波)
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设置求解器
设置求解器(Solve->Transient Solver)
直接保持原有设置,开始求解(Start solver) 开始求解

求解精度 激励端口

优化设置 高级设置 激励模式

仅计算端口模式

激励信号类型

自适应网格加密
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求解过程
一般性求解过程如下
1. 初始化 2. 求解1端口 3. 求解2端口

4. 所有端口求解完成 点击可显示本次 求解过程详细设置 正常信息 警告信息 错误信息
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1D结果-端口信号(1)
1. 双击NT的1D Results,将其展开 2. 点击Port signals 在主视图可看到端口信号图

1D Results展开 端口信号图

注:屏幕左边的导航树(Navagation Tree)简称“NT”
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1D结果-端口信号(2)
3. 点击i1 则可在主视图单独观察入射信号(其余同理)

注: 此问题具有S参数的对称性 故系统只进行了1端口激励 2端口结果自动得出 1端口入射波信号 端口信号类型: 1. i1 -1端口入射波信号

2. o1,1-1端口输入在1端口的反射波信号 3. o2,1-1端口输入在2端口的反射波信号

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1D结果-S参数
用同样的方法可观察S参数(有线性值和dB格式可选)

S21(dB) S11(dB)

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1D结果-驻波
计算完成后,通过结果后处理,系统会由S11自动计算出驻波曲线 (Results->S-Parameter Calculations->Calculate VSWR) 并在NT的1D Results里添加相应条目

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1D结果-特性参数
可在“特性参数”窗口对1D结果的显示进行设置
启动“特性参数”方法(其余同理): 1. 双击1D结果图 2. 从右键菜单选择 1D Plot Properties X/Y坐标是否自动以最大范围显示

X/Y坐标显示范围

1D结果图上右键菜单其它常用选项: 1. Axis Marker-显示定标点 2. Show Measure Lines-显示测量线 3. Select Curves-选择要显示的曲线
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2D/3D结果-端口模式
NT->2D/3D Results->Port Modes->Port1->e1 可观察端口电场(继续展开可观察各个场分量,余同)

端口模式图 端口模式图中除了本模式的电/磁场分布外 还有此模式的截止频率、端口阻抗等信息

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2D/3D结果-电场分布
NT->2D/3D Results->E-Field->e-filed (f=4.5) [1] 可观察电场分布(观察磁场分布同理)

电场分布图 因为电场在物体内部,所以必须采取以下方法,方可观察到内部电场 1. 选择“线框”模式(从右键菜单选择 Wireframe)       或 2. 选择“透明”模式(从右键菜单选择 All Transparent)
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2D/3D结果-表面电流
NT->2D/3D Results->Surface Current->h-field (f=4.5) [1]->abs 可观察表面电流

表面电流标量图

表面电流矢量图 (一般不用)
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2D/3D结果-特性参数(1)
可在“特性参数”窗口对2D结果的显示进行设置
视当前显示图形不同(2D/3D),弹出的特性参数的窗口也不同 (3D Scalar Plot / 3D Vector Plot),不过设置上大同小异 现以电场矢量图进行说明

取对数方式 在场值相对大 小过于悬殊时 特别有用

绘图类型 当前相位 动态显示 箭头数目

启动“特性参数”方法(其余同理): 1. 双击2D结果图 2. 从右键菜单选择 Plot Properties
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将场值取对数

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2D/3D结果-特性参数(2)
现列举特性参数中不同设置的效果(以电场分布图为例)

箭头数增加 (500->5000)

绘图类型改变 (箭头->刺猬方式)

电场分布图 (缺省设置)

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相位改变 (0°->90°)

将场值取对数 (以10为底)
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观察网格
观察网格(Mesh->Mesh View)

模型结构图

网格剖分图 (10点/入)

在正式计算时,通常需要进行收敛性分析,即逐渐的加密网格 如果前后两次的结果趋于稳定,才是精确的,可靠的

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调整网格密度
网格属性(Mesh->Mesh Properties)
下两图是每个波长分别划分5点和20点的比较 每个波长划分点数 (用于电大问题) 每边至少划分点数 (用于电小问题) 最大最小网格之比 (越大计算越慢) 各边划分的网格数 最小网格步长 (越小计算越慢)

5点/入

网格总数
40

20点/入
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不同网格密度结果比较
以驻波曲线图为例,比较不同网格密度的结果
结果分析: 从图上可以看出,5点/入的结果相对误差较大,不可用 10点/入和20点/入的结果很接近,满足误差要求 一般情况下,10点/入是精度和速度都比较合适的设置 误差较大

5点/入

已收敛!

10点/入
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20点/入
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自适应网格加密-设置
也可选中自适应网格加密(Solver->Transient Solver->Adaptive mesh refinement) 让MWS自动进行收敛性分析,系统会在一个合适的网格密度停止计算 通常情况下,缺省设置即为最佳

前后两次计算 S参数的最大误差

自适应网格加密 最少计算次数 最多计算次数

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自适应网格加密-步骤
1. 设置完成后选择“开始求解”,MWS自动进行收敛性分析,如果内置的专家系统 判断结果已经收敛,就会弹出提示窗口,点击“确定”后完成整个计算 2. NT中自动增加了Adaptive Meshing项目,展开后可以看到各种1D Results的变化

前后两次计算 S参数的最大误差

各次计算 得到的S1,1

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目次
? 例题1:H面波导弯头(S参量) p4 ? 例题2:圆波导喇叭天线(方向图) p45 ? 例题3:T形接头(优化) p70 ? 例题4:雷达反射截面(RCS) p90

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圆锥喇叭天线
要求:仿真喇叭天线的辐射参数 尺寸:R=10mm, L=20mm, Degree=30 频带:8~12GHz


三维方向图

模型结构图
WinZip File

二维方向图
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选择模板
开始新项目 选择空间体天线(Antenna (in Free Space, waveguide) )模板并确认

对于天线问题,CST MWS 内建了四种模板供选用 1. 空间平面天线 2. 空间体天线 空间体天线 3. 接地平面天线 4. 接地体天线

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设置单位
设置单位(Solve->Units) 因模板设置满足我们需要(mm,GHz),故此处不做变动

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设置背景材料
设置背景材料(Solve->Background Material) 因模板设置满足我们需要(Vacuum),故此处不做变动

对于天线问题 背景材料一定为空气 Normal (ε=1, μ=1)

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创建圆柱
选择基本形体中的圆柱(Objects->Basic Shapes->Cylinder)
直接按ESC键,弹出窗口,输入以下数据并确定 外半径(Outter radius)=10,Zmax =20,层(Layer)选择PEC

径向方向

内外半径 圆心坐标 径向范围

材料(层)
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创建喇叭
下面通过拉伸工具来创建喇叭
1. 选取圆柱顶面 2. 选择拉伸工具 弹出窗口 3. 输入以下数据并确定 拉伸高度(Height)=20 张角(Taper)=30° 层(Layer)选择PEC

拉伸高度 张角 材料(层)

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全层相加
使用全层相加(Objects->Add All Shapes on Layer)命令 将两个物体加在一起
1. 在NT中选择PEC层 3. 整个PEC层变成一个物体

两个物体

一个物体

在很多情况下 2. 使用全层相加命令 使用全层相加命令 可大大降低网格数
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掏空
使用掏空(Objects->Shell Solid or Thicken Sheet),生成喇叭
1. 分别选取物体前后两个面 2. 选中此物体

掏空命令对 对波导、喇叭以及 抛物面天线的建模 都极为有用

3. 选择掏空命令,弹出窗口 输入以下数据并确认 选择外部方向(Outside) 厚度(Thickness)=2 壳的创建方向 1. 内部 2. 外部 3.中部
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壳厚度
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建模完成
至此,整个建模工作完成

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设置频率
设置频率范围(Solve->Frequency)
将上频(Fmax)和下频(Fmin)分别设置为12和8

下频

上频

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设置边界条件
设置边界条件(Solve->Boundary Conditions )
因是自由空间中的天线问题,所以所有的边界设定为Open (add space)

Open VS. Open (add space) 1. Open -在边界上加PML 模拟自由空间 波以最小反射穿过 2. Open (add space) -与Open边界类似 但增加了额外的空间用于计算远场辐射特性 专用于天线问题

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设置端口
设置波导端口(Solve->Waveguide Ports )
1. 运用快捷键,转换视角 3. 设置波导端口,输入参数后确定 模式吸收数(Number of modes)=5

2. 选取波导口面

完成图

端口吸收模式数
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设置监视器
设置监视器(Solve->Filed Monitors )
完成以下设置后确定(OK) 选中远场/RCS(Farfield/RCS)类型 频率(Frequency)=10(GHz)

监视频率

远场监视器
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设置宽带远场监视器
运用系统宏(Macros->Monitors->Broadband Farfield Monitors ) 可一次性在设定多个远场监视器
执行宏后出现对话框 将起、止频率和步长分别改为9,11和1(即共设9、10、11三个监视器)并确认

起始频率 终止频率 步长

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模式分析-启动
设置求解器(Solve->Transient Solver)
选中“仅计算端口模式”(Calculate modes only),开始求解(Start solver)

选中此选项后 就只计算端口模式 不执行整个时域仿真 可预先了解模式分布 仅计算端口模式 开始求解

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模式分析-记录文件
打开求解记录文件(Results->View logfiles->Solver logfile)
其中有如下文字: ------------------------------------------------------------------- Mode   Type   Z-Wave         Z-Wave-Sigma    Z-Line      F-Cutoff 1      TE     7.836e+002     1.219e-005     --- 8.769e+000 2      TE     7.836e+002     1.219e-005     --- 8.769e+000 3      TM     2.099e+002     3.871e-006     --- 1.145e+001 4      TE     3.596e+002     8.770e-006     --- 1.448e+001 5      TE     3.579e+002     7.133e-006     --- 1.452e+001 ------------------------------------------------------------------- 系统会在端口选择 的每个模式上花费时间 故端口模式一般选择为 高次模的数量加一

此表列举了头5个模式的截止频率等特性 在最高频率(Fmax=12GHz)以下,有三个模式 为了减小误差,必须去掉频带内高次模的影响 故端口设置的吸收模式数不能小于3

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模式分析-场分布
观察基模电场分布(NT->2D/3D Results->Port Modes->Port1->e1)

端口基模电场分布图 观察到端口上第一个模式的电场与XoZ平面对称 故可以在YoZ平面设电壁

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