【原创教程】CST场路联合仿真案例:外加偏置的电磁散射调控

一、仿真概述

(1)软件版本
Release Version 2019.07 (CST2019-SP7),CST微波工作室(MWS)+设计工作室(DS)。

(2)仿真配置
仿真频率范围为0-1GHz,网格剖分密度为1/20波长,仿真区域背景材料为空气,外围设置吸波边界条件(open addspace)。

(3)建模求解
仿真包含一个平面波激励,一个外加电压源激励,25个二极管以及剩余的金属和介质部分。具体来说集总加载结构包含25个的周期单元,单个周期单元大小6cm*6cm,每个单元包含金属贴片(黄色)和单个二极管(蓝色),周期单元阵列上下边界设置馈线,由+X方向的外加偏置电压源(红色)控制所有二极管的导通与截止,-Z边界处设置平面波激励。

模型预览
非线性器件加载及外加偏置源

为对比二极管通断前后透射过周期阵列的电磁波,在阵列轴向+Z方向设置系列探针,记录不同偏置状态下电场瞬态值。

电场探针设置

二、重点讲解

(1)集总器件建模与设置
从有限时域差分算法实现上来讲,全波仿真中集总器件与离散端口设置其实是等效的,只是功能不同而已。CST目前支持两种集总器件建模:一是细线器件,选取空间任意两点,然后构建Lumped Network Element;另一种是薄片器件,选择空间两条短横线(俗称edge),然后构建Lumped Network Face Element。相比之下,第二种建模更加灵活,通用型更强,特别适合需要考虑器件寄生效应的场合。

此外需要指出的是,集总器件定义对话框type选项卡中有spice circuit选项,方便用户时域仿真加载非线性器件,这是CST2019版本的一个亮点。

基于线电流定义的集总器件设置
基于面电流定义的集总器件设置(推荐)
SPICE子电路(PN结)

(2)场路联合激励建模与设置(关键)
首先,切换到CST-MWS界面(点击3D视图),菜单栏点击平面波激励,设置平面波的极化类型、电场以及传播方向。平面波激励的信号类型由导航栏激励信号(Excitation signals)指定,可以新建信号并设置成默认,这里设置为500MHz连续波。

然后,按照类似集总器件建模的方式,构建基于面电流的离散端口激励(Discrete Port),这里需要指出的是,端口类型有三种,这里无需指定,因为MWS和DS联合仿真时该选项无效(或说被DS设置自动覆盖)。

接下来,切换到CST-DS界面(点击Schematic视图),添加外部端口(External Port,黄色图标),连接至原理图中的全波仿真模块的输出端口;新建瞬态仿真任务,设置仿真时间长度Tmax,电路求解器选择CST transient co-simulation,这样设置的目的是指定DS为主求解器,调用MWS辅助仿真,两者交互的接口就是离散端口,交互的数据就是离散端口处的电压和电流。

最后,进一步设置DS外部端口激励参数,选中导航栏Tasks-Trans1,左下角Task Parameter List中就会出现端口设置,选择自定义激励信号,弹出对话框。这里为了控制二极管通断,故选择脉冲序列电压源(Pulse Sequence),不难发现,这里源的类型与MWS中离散端口的类型具有对应性,因此MWS中离散端口参数设置会被自动忽略。

至此,我们分别定义了场和路的信号波形以及激励方式,场路联合仿真设置基本完成,但是还存在一个问题,DS调用MWS仿真时只定义了端口的激励,没有明确指定平面波激励,为此,我们需要返回到MWS界面,然后菜单栏点击求解器设置(Setup Solver),勾选平面波激励叠加选项(Supperimpose plane wave excitation),这样才能保证仿真启动后场路信号同时激励。

上述设置完毕后,在DS界面中启动仿真(Update),即可进行真实的时域场路联合仿真。这里分别给出了上述结构在有无外加偏置条件下的电压和电场响应。可以发现,外加偏置确实改变了器件的状态和电磁结构的散射特性。

三、注意事项

(1)如果集总器件为简单的RLC或者理想PN结,建议使用内建模型,即集总器件对话框中type类型中选择RLC或者Diode 选项,直接在选项卡中填写器件参数,这样CST无需调用外部电路求解器,仿真精度和可靠性会更高。但是如果集总器件等效电路较为复杂,定义为SPICE子电路会更加方便,CST求解时自动调用外部的SPICE电路求解器进行仿真,电路模型过于复杂时求解可能不稳定。

(2)不难发现,CST-MWS界面也可以指定平面波和离散端口的联合激励,但是两种激励的信号波形由导航栏的激励信号(Excitation signals)唯一指定,无法独立更改,所以此处需要借助DS独立定义离散端口的波形。如果用户不需要外加偏置,也即仿真无源集总加载设计时,仅仅利用MWS就够了,不需要MWS界面和DS界面来回切换。

(3)MWS和DS两个工作室设计的目的不同,仿真流程和逻辑不同,因此很难兼容场路联合仿真时所有参数。为此需要用户多多阅读帮助文档,了解算法层面的相关知识,在参数定义不明确的情况下,可以通过仿真测试进行明确。简单来说,遇到模凌两可的情况,谁是主求解器谁说了算。

(4)场路联合仿真结束后,DS界面中可以查看部分电路响应,MWS界面可以查看更多数据,数据末尾的命名会自动添加[cosim Tran*],对应为场路联合仿真产生的数据。

4条评论

  1. silhouette说道:

    你好,我想请教一下如果想加载二端口的微波功率放大器在CST中应该如何设置呢,感谢!

  2. useful2you说道:

    你好,如果你已知放大器的非线性SPICE模型,且能够在ADS中利用瞬态求解器仿真微波功率放大器的话,那就可以在CST中使用,CST的DS中也可以添加SPICE电路和电压源等,具体可以邮件讨论。

  3. 杨勇说道:

    你好,我是一名初学者,正在做一个调制器,想用偏置电压加以测试调制器的调制性能如何,这方面不是很清楚如何设置?方便请教一下吗?

  4. useful2you说道:

    您好,如果有模型的话可以加微信useful2you咨询。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。

Alexa