Комплексное моделирование в программе CST SUITE

 
Алексейчик Л.В., Курушин А.А. 
 
 
 
 
Комплексное моделирование 
в программе  
CST SUITE 
 
 
 
 
 
 
СОЛОН-Пресс 
Москва  
2022  
 

УДК 621.38 
ББК 32.850.4 
     К 93 
 
Рецензенты:  д.т.н., проф. Серебрянников С.В., 
канд. техн.наук, доцент Добромыслов В.С. 
 
Алексейчик Л.В., Курушин А.А.  
Комплексное моделирование в программе CST SUITE. – М.: СОЛОН-Пресс, 2022. — 276 с., с илл. 
 
ISBN 978-5-91359-475-4 
 
Данное учебное пособие может служить дополнением к вышедшей в 
2020 году книге  «Проектирование объёмных интегральных структур СВЧ 
и КВЧ». М., Солон-Пресс, 2020, 455 стр. (авторы Курушин А.А., Нефёдов 
Е.И., Смольский С.М). В предлагаемом пособии описываются гибридные 
методы и алгоритмы, реализованные в комплексе CST SUITE, связанные с 
излучающими системами и интегральными схемами. Акцент делается на 
сочетание методов теории цепей и электродинамических методов анализа 
поля. Это позволяет выполнить анализ нелинейных и шумящих СВЧ 
структур с учетом ближнего поля, изменяющего устойчивость, усиление и 
другие характеристики структур. 
Предлагаемая книга предназначена для углубления сведений о моделировании СВЧ структур, активных антенн, многослойных интегральных 
структур, а также комплексных излучающих устройств и, надеемся, будет 
полезной для студентов, аспирантов и научных работников, работающих в 
области СВЧ. 
УДК 621.38 
 
На обложке: Топология и схема балансного усилителя СВЧ 
 
 
По вопросам приобретения обращаться: 
ООО «СОЛОН-Пресс» 
Тел: (495) 617-39-64, (495) 617-39-65 
E-mail: kniga@solon-press.ru, www.solon-press.ru 
 
ISBN 978-5-91359-475-4 
© СОЛОН-Пресс, 2022 
 
© Алексейчик Л.В., Курушин А.А., 2022

 
Оглавление 
Оглавление 
..................................................................................................... 
3 
Условные обозначения 
.............................................................................. 
5 
Введение.  Студия проектирования CST DS ...................................... 
6 
Глава 1.  Создание и расчет фильтра в CST DS 
................................ 
9 
1.1.Создание структуры фильтра ........................................................ 11 
1.2. Добавление и соединение компонентов .................................... 13 
1.3. Изменение свойства внешнего порта ......................................... 21 
1.4. Запуск моделирования ................................................................... 26 
1.5. Вывод результатов расчета .......................................................... 30 
1.6. Задача расчета по переменному току AC .................................. 35 
1.7. Параметризация и оптимизация фильтра ................................. 40 
Глава 2.  Интеграция программ в системе CST SUITE .................. 
61 
2.1. Моделирование гребенчатого фильтра на CST ....................... 63 
2.2. Микрополосковый низкочастотный фильтр ............................... 72 
2.3. Микрополосковый фазовращатель 
.............................................. 75 
2.4. Оптимизация планарной антенны 
.............................................. 105 
2.5. Микрополосковый фазовый мост ............................................... 113 
Глава 3.  Гибридное моделирование  в CST MWS 
........................ 
117 
3.1. Интегрирование с точки зрения пользователя  CST MWS .. 117 
3.2. Косимуляция схем/EM в расчете переходного процесса ..... 122 
3.3. Косимуляция планарной антенны .............................................. 125 
3.4. Моделирование в CST DS 
............................................................ 128 
3.5. Моделирование пач-антенны в CST DS ................................... 131 
Глава 4.  Гибридное моделирование в CST DS 
............................. 
143 
4.1. Объединение компонентов проекта в систему ....................... 144 
4.2. Мультифизическое моделирование .......................................... 147 
4.3. Задача магнитно - резонансной терапии.................................. 148 
Глава 5.  Объединение блоков в CST DS ........................................ 
156 
5.1. Блоки CST MWS/CST CABLE STUDIO ...................................... 161 
5.2. Файловый блок CST STUDIO SUITE 
.......................................... 165 
5.3. Файловый блок TOUCHSTONE 
................................................... 167 
5.4. Файловый блок  IBIS ....................................................................... 168 
3 

Оглавление 
5.5. Блоки SPICE/SPICE File 
................................................................ 172 
5.6. Блок CST DESIGN STUDIO .......................................................... 177 
5.7. Создание модели в CST DS ........................................................ 178 
Глава 6.  Гибридные проекты  в CST Design Studio .................... 
183 
6.1. Ассамблирование облучателя и зеркальной антенны 
.......... 191 
6.2. Управление переменными в гибридном проекте ................... 200 
6.3. Гибридное решение: Двунаправленная связь ........................ 208 
6.4. Иерархия модели в CST DESIGN STUDIO 
............................... 211 
6.5. Объединение разнородных объектов в схему 
........................ 212 
6.6. Технология SAM — моделирование комплексных проектов217 
6.7. Моделирование антенных решеток ........................................... 219 
Глава 7.  Косимуляция на уровне схем в ɋST DS 
......................... 
221 
7.1. Умножитель частоты на транзисторе 
........................................ 221 
7.2. Генератор, управляемый напряжением ................................... 223 
7.3. Диодный пульсирующий генератор ........................................... 225 
7.4. Моделирование отрезка микрополосковой линии методом 
собственных значений .......................................................................... 226 
7.5. Квадратурный мост 
........................................................................ 236 
7.6. Спиральная индуктивность 
.......................................................... 241 
7.7. Переход от копланарной к микрополосковой линии 
.............. 243 
7.8. Трансформатор между волноводом и щелевой линией ...... 245 
7.9. Моделирование источников шумов в линиях передачи ....... 247 
Глава 8.  Включение активных элементов  в СВЧ структуру 
... 
250 
8.1. Однокаскадный транзисторный усилитель 
.............................. 251 
8.2. Балансный  СВЧ усилитель ......................................................... 253 
8.3. Активная антенна ........................................................................... 255 
8.4. Антенная система  сотового телефона 
..................................... 256 
Глава 9.  Моделирование диэлектрического резонатора 
.......... 259 
9.1. Падение плоской волны на диэлектрический резонатор ..... 260 
9.2.Численный расчет резонансной частоты ДР 
............................ 268 
9.3. Зависимости характеристик ДР от диэлектрической 
проницаемости ....................................................................................... 270 
9.4. Расчет рассеяния ДР в дальней зоне ....................................... 272 
10. Заключение 
.......................................................................................... 
274 
11. Литература ........................................................................................... 
275 
4 

 
Условные обозначения 
 
DC – постоянный ток 
ОИС –объемные интегральные схемы 
МШУ – малошумящий усилитель 
САПР – системы автоматизированного проектирования  
PCB – интегральная схема 
PDN (Power Distribution Networks) – схема смещения по постоянному току 
 
HFSS (High Frequency System Simulator) – тестовая программа моделирования СВЧ структур методом FEM [2] 
CST Microwave Studio (CST MWS) – программа расчета СВЧ структур методом FDTD 
CST DESIGN ENVIRONMENT – комплекс CST [4] 
ADS – Advanced Design System – универсальная коммерческая система 
проектирования СВЧ структур 
FEKO (Field Korpus) – программа расчета СВЧ структур методом МОМ [3] 
CST CS CABLE STUDIO – программа расчета кабельных структур 
FEM (Finite Element Method) – метод конечных элементов 
FDTD (Finite Difference Time Domain) – метод конечных разностей во временной области 
МОМ Метод моментов  
PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) – метод импедансного аналога 
электромагнитного поля 
FEFD (3D Finite-Element method) – метод конечных элементов  
S-Parameters – параметры рассеяния 
AC – расчет по переменному току  
TLM Transient – метод линий на основе гексагедральной шестигранной 
сетки 
Mesh – сетка разбиения 
SAR (Specific Absorption Ratio) – удельная мощность поглощения ЭМ поля 
 
5 

 
Введение.  
Студия проектирования CST DS 
 
 
  
        
        Программа CST DESIGN STUDIO (CST DS) выполняет синтез и оптимизацию СВЧ схем, структур и систем. CST DS управляет процессом 
проектирования комплексной системы, начиная от создания схемы и получая конечное решение [4]. В такой системе в отдельных блоках можно 
выполнить синтез, а затем выполнить анализ всей системы. Тогда последние результаты сохраняются отдельно для блоков, и изменения всей системы не затрагивают блоки. Это обеспечивает быстрый процесс оптимизации всей системы. 
         Использование параметров в CST DESIGN STUDIO делает возможным выполнить параметрическую оптимизацию, глобальную оптимизацию, учитывая  произвольное число взвешенных целевых функций и произвольное число параметров. 
         Программа CST DESIGN STUDIO имеет интерфейс удобный для 
пользователя, в котором выполняется 
-  Создание и редактирования схем; 
-  Создание иерархических моделей; 
-  Параметризация схем и систем;  
-  Учет высших типов волн в порту; 
-  Оптимизация  по заданным критериям; 
-  Расчет S-параметров и моделирование переходного процесса;  
-  Совместный расчет CST DS  с  CST MWS,   
-  Пополнение библиотеки компонентов; 
- Использование глобального кэша для многократного использования в других проектах; 
-  Возможное увеличение скорости расчета, используя интерполяцию результатов CST MWS; 
-  Интегрирование с другими программами электродинамического 
моделирования [2-3]; 
-  Использование макро языка  Basic VBA;  
6 

Введение. Студия проектирования CST DS 
-  Работа в качестве сервера автоматизации OLE. 
 
     CST DESIGN STUDIO имеет несколько методов расчета. Во время выполнения каждой из задач выбирается подходящий метод расчета, и рассчитываются нужные характеристики. Из CST DS можно выполнить параметризацию и оптимизацию структуры. В таблице можно задавать новые параметры, изменять значения параметров или удалять их. Чтобы использовать параметр, например размер конструкции, он передается свойству блока, а затем параметризацию можно выполнить в объединенном 
проекте, который решается гибридными методами. Чтобы выполнить параметрическую оптимизацию, откройте диалог Sweep Parameters, выберите параметры, которые нужно изменять, задайте по крайней мере один из 
них. Результаты оптимизации просматриваются во время процесса оптимизации, а также по окончании его. 
    CST DS имеет мощный инструмент схемного проектирования, созданный для синтеза и оптимизации комплексных систем. Плотная связь с CST 
MWS, программным обеспечением моделирования электромагнитного 
поля, и интегрированием решений  на этапе схемотехнического моделирования, а также реализация 2.5D мерного электромагнитного планарного 
анализа и моделирования позволяют исследовать радиоструктуры на различных уровнях. 
 
Следующий список задач реализуется в интерфейсе CST DS. 
 
-Составление схемы подключением компонентов  операцией перетаскивания; 
-Удобная перестройка компонентов внутри схемы; 
- Представление схемы из  базы данных и модификация её после структурных изменений компонентов; 
- Аналитический анализ, основанный на  2D EM методах, анализ микрополосковых и полосковых линий и пополнение библиотеки;  
- Доступность схемных элементов; 
- Доступность библиотеки полупроводниковых моделей; 
- Иерархическое моделирование, то есть разделение системы на логические компоненты; 
- Непосредственное интегрирование с 3D моделированием в CST MWS; 
- Интегрирование схемы с многослойными печатными платами из CST 
  PCB STUDIO; 
-Интегрирование с кабельными моделями из  CST CABLE STUDIO – а 
также совместное моделирование, используя  другие программы электродинамического моделирования;  
- Импорт таблиц соединений от SPIСE Berkley; 
7 

Введение. Студия проектирования CST DS 
- Импорт моделей от SimLab CableMod и SimLab PCBMOD 3; 
- Использование  файла данных IBIS;   
- Импорт измеренных или  рассчитанных данных в формате 
  TOUCHSTONE; 
- Управление и использование пополняемой библиотеки элементов. 
 
В результате в CST_DESIGN_STUDIO  можно выполнить: 
 
- Расчет S-параметров с произвольным порядком матриц; 
- Оптимизацию для произвольного числа параметров и комбинации взвешенных целевых функций; 
- Настройку параметров,  перемещая движки и немедленное получение результатов; 
- Схемотехническое моделирование в частотной и временных областях; 
- Схемотехническое моделирование во временной области поддерживает 
создание графиков, на которых возможно сделать сравнение  с результатами расчетов в CST MWS; 
- При необходимости, создать связь ко всем функциям APLAC; 
- Простую установку задач моделирования, связанных со специальными 
устройствами типа смесителей, усилителей, или активных антенн; 
- Рекомбинация полей в CST MWS для расчетов, заданных в CST DS; 
-Быстрый 
расчет 
во 
временной 
области 
задач, 
связанных 
с 
EM/Cosimulation CST MWS; 
-Ускоренный расчет методом интерполяции; 
- Выбор аналитического или численного расчета некоторых компонентов; 
- Разгерметизация портов (удаление от неоднородностей); 
- Использование  дифференциальных портов; 
-Рассмотрение типов волн  высоких порядков; 
- Выделение модели SPICE; 
- Постпроцессорную обработку данных, основанную на матричном исчислении. 
 
     В предлагаемом учебном пособии рассматриваются методы проектирования, которые были включены в последние версии CST, начиная с версии 
16. Акцент делается на методах, основанных на матричном расчетах, методах теории цепей и гибридных методах.  
 
8 

 
Глава 1.  
Создание и расчет фильтра в CST DS 
     Перед началом рассмотрения первого примера, объясним интерфейс 
CST и его главные компоненты. Если вы используете CST DS, вы будете 
видеть только одно основное окно. Если вы используете CST MWS, то 
имеется две закладки, между которыми можно переключаться: к виду 
‘CST DESIGN STUDIO’ и трехмерной структуре MWS. 
 
       Откройте закладку интерфейса  CST DESIGN STUDIO (рис.1.1a). 
 
 
Рис.  1.1a Интерфейс программы CST DS 
 
9 

Глава 1. Создание и расчет фильтра в CST DS 
 
     В главном окне проекта имеются две закладки: для показа 3D структуры (CST MWS)  и схематического представления (CST DS). 
 
      К подробностям структуры и всем результатам можно обращаться из 
дерева навигации. Когда вы выбираете элемент из дерева,  его свойства 
становятся видны в виде содержания. В окне параметров видны все параметры, которые в настоящее время определены. Эти параметры могут 
быть или глобальные, или локальные параметры выбранного блока. 
        Всякий раз, когда программа имеет информацию для Вас, она будет 
печатать её в информационном окне. Это может быть информация об  
ошибках и предупреждениях. 
         В библиотеке можно выделить и поставить в схему любой элемент, 
доступный для создания конструкции и установки на расчет. Это может 
быть например резистор или конденсатор, СВЧ компонента, элемента связи к внешнему моделирующему устройству, блок с измеренными Sпараметрами, и другие элементы (рис. 1.1.b).   
 
 
Рис.1.1.b  Вывод на поле схемы реальной компоненты из библиотеки компонентов 
 
    Командой «Device Model Library» в линейке меню, выводится библиотека моделей, в которой можно выбрать фрагменты и законченные компоненты проектируемой СВЧ структуры. 
10