Проектирование СВЧ устройств в CST STUDIO SUITE

 
А.А. Курушин 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Проектирование  
СВЧ устройств  
в CST STUDIO SUITE 
 
 
 
 
Рекомендовано УМО РАЕ по классическому университетскому и 
техническому образованию в качестве учебного пособия для 
студентов высшего профессионального образования, обучающихся 
по направлению подготовки: 210400 «Радиотехника».  
 
 
 
 
 
 
 
 
СОЛОН-Пресс 
Москва  
2023

УДК 621, 621.3.049.77.029,681.3.06 
ББК 32.850.4 
     К 93 
Подготовлено на кафедре антенных устройств  
и распространения радиоволн МЭИ 
 
 
 
 
 
Рецензенты:       докт. техн. наук. профессор Б.Л. Коган, 
                                                             канд. техн. наук А.Н. Грибанов  
 
Курушин А.А.  
Проектирование СВЧ устройств в CST STUDIO SUITE. – М.: СОЛОНПресс, 2023. — 428 с. 
 
A.Kurushin.  
Basic Cource of Design of Microwave Devices using CST STUDIO SUITE. - 
Moscow, SOLON-Press, 2023. — pp. 428. 
 
ISBN 978-5-91359-288-0 
 
CST STUDIO SUITE– мощная программа трехмерного моделирования 
процессов 
распространения 
электромагнитных 
полей, 
разработанная 
компанией Computer Simulation Technology. Программа использует различные 
методы расчета (расчет переходных процессов во временнɨй области, анализ в 
частотной области, расчет с использованием собственных частот, методы 
физической и геометрической оптики и др.) для моделирования сложных СВЧ 
структур: фильтров, антенн, циркуляторов, аттенюаторов и т.д. Основной 
метод – расчет переходных процессов – решает задачи возбуждения СВЧ 
структуры радиоимпульсами, что отличает её от большинства других 
программных продуктов. Кроме этого, комлекс позволяет рассчитать 
физические характеристики объектов: температуру и мощность поглощения в 
диэлектрических средах с потерями, а также траектории и статистику 
распространения частиц в СВЧ устройствах: магнетронах, лампах, разрядных 
устройствах, ЛБВ, ЛОВ. 
Учебное пособие поможет освоению комплекса CST STUDIO SUITE. 
Предназначено для студентов и аспирантов, обучающихся по направлению 
210400 «Радиотехника», и инженерно-технических работников. 
 
 
 
 
ISBN 978-5-91359-288-0 
© СОЛОН-Пресс, 2023 
 
© Курушин А.А., 2023

Содержание 
 
Содержание 
Введение ...................................................................................................................................... 6 
Глава 1. Общая характеристика CST 
.................................................................................. 15 
1.2. Интерфейс программы CST Microwave Studio ...................................................... 16 
1.3. Черчение конструкции модели 
.................................................................................. 17 
1.4. Группировка объектов по компонентам 
.................................................................. 20 
1.5. Просмотр конструкции 
................................................................................................. 20 
1.6. Геометрические преобразования 
............................................................................. 22 
1.7. Использование логических операций ..................................................................... 23 
1.8. Выбор точек, граней или сторон модели 
................................................................ 25 
1.9. Скругление и срезание граней .................................................................................. 26 
1.10. Экструзия и вращение плоскости 
........................................................................... 27 
1.11. Локальные системы координат 
............................................................................... 31 
1.12. Хронология создания модели ................................................................................. 34 
1.13. Создание искривленных линий 
............................................................................... 37 
1.14. Импорт конструкций в модель ................................................................................ 39 
1.15. Задание свойств материалов 
.................................................................................. 40 
1.16. Источники возбуждения 
............................................................................................ 48 
Глава 2. Численные методы расчета 
.................................................................................. 77 
2.1. Метод конечных разностей во временной области 
............................................. 77 
2.2. Метод конечного интегрирования ............................................................................ 80 
2.2.1. Аппроксимация искривленных границ ............................................................. 91 
2.2.2. Иерархическая схема нанесения подсетки .................................................... 93 
Глава 3. Моделирование и оптимизация  коаксиального поворота 
.......................... 103 
3.1. Запуск CST MWS ........................................................................................................ 104 
3.2. Задание единиц .......................................................................................................... 105 
3.3. Определение материала окружения ..................................................................... 105 
3.4. Черчение модели структуры 
.................................................................................... 106 
3.5. Задание портов ........................................................................................................... 113 
3.6. Задание граничных условий и границ симметрии ............................................. 114 
3.7. Задание диапазона частот 
....................................................................................... 116 
3.8. Просмотр сетки разбиения 
....................................................................................... 116 
3.9. Запуск на моделирование ........................................................................................ 117 
3.10. Анализ типов волн в порту 
..................................................................................... 119 
3.11. Анализ электромагнитного поля на различных частотах .............................. 124 
3.12. Параметризация структуры ................................................................................... 127 
3.13. Оптимизация.............................................................................................................. 136 
3.14. Результаты расчетов во временной и частотной областях .......................... 139 
Глава 4. Анализ волноводного Т-моста 
............................................................................ 142 
4.1. Черчение первого параллелепипеда .................................................................... 143 
4.2. Черчение второго параллелепипеда 
..................................................................... 145 
4.3. Черчение третьего параллелепипеда 
................................................................... 147 
4.4. Создание волноводных портов 
............................................................................... 147 
4.5. Задание диапазон частот анализа 
......................................................................... 148 
4.6. Результаты расчета ................................................................................................... 150 
Глава 5. Круглая рупорная антенна .................................................................................. 158 
5.1. Черчение антенны 
...................................................................................................... 159 
3 

Содержание 
5.2. Установка порта и его параметров ........................................................................ 162 
5.3. Задание граничных условий .................................................................................... 164 
5.4. Установка пробников и мониторов поля 
............................................................... 165 
5.5. Запуск на решение ..................................................................................................... 168 
Глава 6. Моделирование наноструктуры  в оптическом диапазоне частот ............ 177 
6.1. Падение плоской волны на границу раздела двух сред .................................. 178 
6.2. Падение плоской волны под произвольным углом............................................ 182 
6.3. Падение плоской волны на диэлектрическое полупространство .................. 186 
Глава 7. Проектирование антенной решетки 
.................................................................. 197 
7.1. Диаграмма направленности эквидистантной  антенной решетки ................. 197 
7.2. Условие существования одного главного лепестка .......................................... 199 
7.3. Учет взаимного влияния элементов антенной решетки 
................................... 200 
7.4. Расчет бесконечной антенной решетки 
................................................................ 202 
Глава 8. Расчет удельной мощности поглощения 
......................................................... 207 
8.1. Определение и расчет SAR ..................................................................................... 208 
8.2. Анализ антенной структуры сотового телефона 
................................................ 209 
8.3. Расчет SAR в простейшем БО ................................................................................ 212 
8.4. Характеристики антенной структуры вблизи БО 
................................................ 222 
8.5. Расчет SAR с использованием биологической модели  тела человека ...... 223 
8.5.1 Импорт объемной модели Voxel .......................................................................... 224 
8.6. Черчение вибраторной антенны 
............................................................................. 227 
8.7. Расчет температурного распределения ............................................................... 233 
Глава 9. Расчет температурного распределения в радиаторе микросхемы 
.......... 236 
9.1. Теоретические основы расчета распространения тепла 
................................. 236 
9.2. Граничные условия .................................................................................................... 237 
9.3. Пример расчета тепла в микросхеме 
.................................................................... 239 
9.4. Черчение радиатора 
.................................................................................................. 243 
Глава 10. Моделирование магнетрона 
............................................................................. 253 
10.1. Черчение магнетрона 
.............................................................................................. 256 
10.2. Задание потенциалов на электродах и тока в катушке 
.................................. 262 
10.3. Задание граничных условий 
.................................................................................. 266 
10.4. Задание источника частиц ..................................................................................... 270 
10.5. Запуск расчета .......................................................................................................... 272 
10.6. Анализ результатов ................................................................................................. 274 
Глава 11. Моделирование низкочастотного трансформатора ................................... 278 
11.1. Запуск CST EM STUDIO 
.......................................................................................... 279 
11.2. Черчение корпуса трансформатора .................................................................... 280 
11.3. Черчение катушек .................................................................................................... 282 
11.4. Граничные условия в трансформаторе 
.............................................................. 287 
11.5. Разбиение структуры трансформатора на сетку ............................................. 288 
11.6. Расчет магнитостатического поля ....................................................................... 290 
11.7. Анализ результатов тетраэдрального солвера 
................................................ 291 
Глава 12. Расчет следов частиц в резонаторе 
............................................................... 294 
12.1. Моделируемая структура ....................................................................................... 296 
12.2. Рассчитываемые характеристики ........................................................................ 297 
12.3. Запуск CST PARTICLE STUDIO ............................................................................ 298 
12.4. Черчение структуры 
................................................................................................. 299 
12.5. Описание источника пучка частиц ....................................................................... 302 
12.6. Задание границ и условий симметрии 
................................................................ 305 
4 

Содержание 
12.7. Сетка разбиения на элементы пространства ................................................... 307 
12.8. Запуск моделирования ........................................................................................... 309 
12.9. Анализ полученных результатов 
.......................................................................... 311 
Глава 13. Моделирование изолятора ............................................................................... 316 
13.1. Создание структуры изолятора ............................................................................ 318 
13.2. Создание масляного бокса изолятора 
................................................................ 322 
13.3. Установки программы на решение ...................................................................... 326 
Глава 14. Расчет мультипакции ......................................................................................... 329 
14.1. Черчение волноводного ступенчатого фильтра 
............................................... 331 
14.2. Описание материала фильтра ............................................................................. 335 
14.4. Модель отраженных эластичных (упругих) электронов ................................. 339 
14.5. Монитор частиц 
......................................................................................................... 342 
Глава 15. Моделирование электровакуумных  СВЧ приборов 
................................... 352 
15.1. Черчение коллектора .............................................................................................. 354 
15.2. Задание потенциалов на электродах 
.................................................................. 360 
15.3. Установка граничных условий 
............................................................................... 362 
Глава 16. Расчет ферритового циркулятора 
................................................................... 368 
16.1. Модель феррита 
....................................................................................................... 368 
16.2. Ферритовый циркулятор ......................................................................................... 370 
16.3. Создание портов 
....................................................................................................... 381 
16.4. Результаты расчета 
................................................................................................. 383 
Глава 17. Циркулятор с магнитным смещением ............................................................ 388 
17.2. Черчение циркулятора 
............................................................................................ 390 
17.3. Решение магнитостатической задачи 
................................................................. 397 
17.3. Установка граничных условий в циркуляторе 
................................................... 403 
17.4. Установки на решение ............................................................................................ 404 
17.5. Вывод частотных характеристик циркулятора ................................................. 405 
Глава 18. Моделирование структур в оптическом диапазоне частот 
....................... 413 
18.2. Модель Друде ........................................................................................................... 414 
18.3. Создание наноповерхности ................................................................................... 416 
18.4. Моделирование поверхности в оптическом диапазоне волн ....................... 420 
Заключение .............................................................................................................................. 424 
Литература ............................................................................................................................... 427 
5 

Введение 
Введение 
Современные СВЧ устройства (радиоприемники, передатчики, системы 
переноса информации на радиочастоте) фактически состоят из антенны, 
радиоканала приема/передачи, блоков перевода информации из аналогового 
вида в цифровой и обратно (посредством АЦП/ЦАП) и цифровой части. 
Отдельные радиотехнические узлы – цифровые фильтры, коммутаторы, 
системы распознавания образов сигнала, системы разделения полезных 
сигналов и помех – реализуются в виде микросхем и процессоров. Поэтому 
проектирование полной системы приема и обработки радиоволн включает 
анализ коммутационных, модуляционных и прочих узлов, управляемых на 
уровне «цифры». Эти и другие особенности современных радиосистем требуют 
разработки и исследований новых методов анализа, синтеза и проектирования 
как всей системы в целом (рис. В1), так и отдельных узлов. В условиях 
высокого темпа производства современный исследователь должен однозначно 
получить ответ на вопрос, какой метод необходимо выбрать для решения 
конкретной задачи с заданной степенью точности. 
 
 
а) 
б) 
Рис. В.1. Ближнее электрическое поле в сечении автомобиля с антенной  
на его крыше (а) и диаграмма направленности планарной антенны (б), 
расположенной на заднем стекле автомобиля [1] 
 
Отметим тот факт, что необходимый темп исследований и разработок 
бортовых и наземных антенных систем невозможен без использования новых 
информационных технологий проектирования СВЧ структур. Подобные 
технологии не сводятся только к усовершенствованию распространённых 
методик аналитического и параметрического синтезов, используемых при 
анализе 
и 
оптимизации 
на 
вычислительных 
машинах 
в 
узкоспециализированных 
программах 
электродинамического 
моделирования, 
разработанных для расчета конкретных задач на основе численных методов 
решения уравнений Максвелла. 
 
6 

Введение 
Программа CST STUDIO SUITE, описанию которой посвящено данное 
учебное пособие – это мощный комплекс, предназначенный для трехмерного 
моделирования объектов разнообразной формы [1]. 
В процессе проектирования СВЧ устройств с помощью CST конструкции 
в трехмерном представлении создаются с помощью черчения простейших 
геометрических форм (примитивов) и выполнения логических (булевых) 
операций над ними [2]. Также имеются широкие возможности импорта моделей 
из других программ. После того как конструкция начерчена, заданы граничные 
условия и определено местоположение источников возбуждения, выполняется 
разбиение всего пространства задачи на сетку, а затем рассчитывается поле в 
каждой точке пространства (рис. В2). 
 
а)
 
б) 
в) 
Рис. В.2. Стадии моделирования сотового телефона (а), рассчитанные 
распределения ближних полей (б) и диаграмма направленности антенны 
телефона (в)  
 
7 

Введение 
Наиболее гибкий метод расчета, реализованный в CST Microwave Studio 
в виде программы расчета переходного процесса, Transient Solver, выполняет 
расчет проектируемого устройства в широком диапазоне частот после расчета 
единственной переходной характеристики (в отличие от частотного метода, 
который требует запуск расчета на всех частотных точках).  
При исследовании резонансных структур (например, узкополосных 
фильтров или резонаторов), решение во временной области может стать 
неэффективным из-за медленно спадающих во времени сигналов-откликов. Для 
решения подобных задач в CST Microwave Studio можно использовать 
расчетный модуль Eigenmode. Программный модуль Transient Solver 
становится менее эффективным и при решении низкочастотных задач, когда 
размер структуры становится много меньше длины волны. В этих случаях 
целесообразно решать задачу в частотной области. Этот подход наиболее 
эффективен, когда требуется рассчитать характеристики устройства только в 
нескольких частотных точках. 
Базовый метод расчета в CST Microwave Studio – метод конечного 
интегрирования – является методом пространственной дискретизации, в 
котором пространство задачи разбивается на дискретные ячейки (сетку). При 
этом в решающем устройстве реализуется метод конечных разностей во 
временной области [3-7] как частный случай метода конечного интегрирования. 
Очень важная особенность решения во временной области – пропорциональная 
зависимость требуемых вычислительных ресурсов от размеров структуры. В 
настоящее время на современном персональном компьютере с помощью метода 
конечных разностей во временной области можно выполнить расчет структур 
размером примерно до 15 длин волн. 
Исследования 
и 
разработки 
в 
аэрокосмической 
и 
оборонной 
промышленности постоянно подводят к решению задач на грани возможного. 
Это 
распространяется 
и 
на 
специализированные 
области 
технологий 
электромагнитного моделирования. Одна из важных практических задач – 
оптимизация эффективной поверхности рассеивания (ЭПР) летательных 
аппаратов и кораблей, другая – решение проблем электромагнитной 
совместимости радиотехнических систем с учетом влияния корпуса аппарата на 
эффективность связи. В этих задачах электрические размеры объектов 
составляют, как правило, сотни длин волн. 
Решать подобные задачи с помощью обычных методов объемной 
дискретизации пространства (метода конечного интегрирования или метода 
конечных элементов) на обычном персональном компьютере не представляется 
возможным. В последних версиях CST Microwave Studio для решения данного 
класса задач предлагается использовать метод интегральных уравнений 
(Integral 
Equation 
Solver, 
I-solver). 
Это 
позволяет 
выполнить 
электродинамический анализ трехмерных структур больших электрических 
размеров (рис. В.3). 
 
8 

Введение 
а) 
б) 
Рис. В.3. Экспортированная модель вертолета (а) и рассчитанный 
трехмерный график эффективной площади рассеяния (б) [1] 
 
Не менее важная особенность CST Microwave Studio – возможность 
полной параметризации модели структуры (от геометрии до свойств 
материалов), которая использует переменные при определении каждого 
варьируемого параметра. В комбинации со встроенным оптимизатором и 
возможностью прямого изменения параметров программа CST Microwave 
Studio эффективно выполняет проектирование устройств на электродинамическом уровне. Комплекс программ CST Studio Suite, частью которого 
является Microwave Studio, соответствует возникающим задачам, связанным с 
биологией и медициной (рис. В.4), освоением космоса, исследованием 
элементарных 
частиц. 
Этот 
комплекс 
программ 
продолжает 
совершенствоваться и поэтому не теряет своей популярности. 
 
 
а) 
б) 
в) 
Рис. В.4. Модель введения катетера в брюшную полость человека (а) и 
получаемые распределения электрического поля (б) и температуры (в) [1] 
 
Алгоритм решения современных задач с физическим содержанием 
сводится к точному моделированию физических процессов, таких как 
распространение электромагнитных волн, тепловые явления, движение частиц. 
Он включает в себя оптимизацию процесса проектирования, выработку 
соотношения между аналитическими и численными методами при решении 
актуальных задач, стоящих как перед организаторами научной работы, так и 
перед исполнителями – от научных сотрудников до инженеров. 
9 

Введение 
CST Microwave Studio – система параметрического моделирования 
трехмерных структур, в ней реализованы: 
- импорт трехмерной структуры в формате *.sat, *.iges или *.stl; 
- импорт слоев в формате *.dxf, *.gdsII и *.gerber; 
- импорт биологической модели человека Voxel в виде файла; 
- экспорт данных в формате *.sat, *.iges, *.stl, *.drc и *.pov; 
- параметризация структуры импортированных файлов CAD. 
Эти форматы читаются большинством современных программ черчения и 
обработки данных. 
В CST Microwave Studio (CST MWS) реализовано несколько методов 
расчета. Сделаем их краткий обзор. 
 
Расчет переходного процесса. В этом режиме CST MWS выполняет: 
- эффективное моделирование структур с потерями и без потерь; 
- расчет S-параметров в широком диапазоне частот по единственному 
расчету переходного процесса, используя преобразование Фурье; 
- вычисление E-, H-поля; 
- адаптивное измельчение трехмерной сетки разбиения пространства 
расчета; 
- описание изотропных и анизотропных материалов; 
- моделирование поверхностного импеданса для хороших проводников; 
- расчет распределения поля в сечении порта; 
- реализацию многоэлементных портов с TEM волнами; 
- нормирование S-параметров для указанных импедансов портов; 
- изменение плоскости отсчета S-параметров; 
- возбуждение структуры плоской волной; 
- решение задач открытых структур, с использованием идеальных 
граничных 
условий 
излучения/поглощения 
и 
периодических 
граничных условий; 
- вычисление дальнего поля антенны (усиление, направленность, 
уровень боковых лепестков и т.д.); 
- расчет дальнего поля антенной решетки; 
- расчет эффективной поверхности рассеяния RCS; 
- вывод 
визуального 
представления 
различных 
характеристик 
электромагнитного типа: электрического поля, магнитного поля, 
поверхностных токов, потоков мощности, плотности потерь, а также 
тепловых характеристик; 
- внедрение в структуру дискретных элементов (R, L, C), включая 
нелинейные диоды; 
- расчет переходного процесса с использованием функции возбуждения 
в виде прямоугольного и др. форм радиоимпульса; 
- автоматическое извлечение схемной модели SPICE (R, L, C, G); 
- параллелизацию работы программы, полностью загружая 64-битовый 
процессор PC; 
10