为什么 CST 微波工作室（MWS）能计算电大尺寸天线？.PDFVIP

为什么 CST 微波工作室（ＭＷＳ）能计算电大尺寸天线？ 1、CST 的主要算法 软件的基本算法决定了软件的处理能力，CST MWS 采用业界最先进的电磁 场全波时域仿真算法――有限积分法（FIT ），对麦克斯韦积分方程进行离散化并 迭代求解，可对通信、电源、电气和电子设备等系统复杂的电磁场耦合、辐射特 性、EMC/EMI 进行精确仿真。从数学上可以证明，在众多的电磁场数值算法中， 唯有有限积分法拥有且仅拥有解析麦克斯韦方程组所拥有的全部结论！如：不会 有磁核、增根等非物理的结果出现。 下图展示了有限积分法为解析到网格的一一映照。 CST MWS所采用的时域算法FIT，只须一步步迭代求解，不用进行矩阵求逆。 此内在特性决定了，在32位计算机上，适合的仿真结构涵盖电小、电中和电大， 电尺寸从 1/10 波长，几个波长，数十波长到一百多个波长，均可取得良好的表 现。在64位计算机上最高仿真电尺寸可到数百波长。 下图显示了时域算法和频率算法对CPU时间和内存需求的数学原理。 1 由数学结论可知，体矩量法、有限元法和有限积分法三者的计算量（体现在 CPU 时间和所需内存）分别正比于所分网格数 N 的 3 次、2 次和 1.1-1.2 次方。 当结构的电尺寸比较大或比较复杂，网格点则逐渐增大，对于目前主流的 32 位 计算机（2GBytes内存/2.6GHz主频/单CPU）来说，前两者将不再能够胜任。这 个网点数分别在几万和几十万。而有限积分法则可处理800万点，约8小时CPU 完成十几到数十个倍频程的全部仿真。这个快速宽带仿真特点归功于有限积分法 的显式时域算法。 另一方面，三者的仿真速度是由各自算法所决定的。换言之，即便是采用 64 位计算机，它们三者的速度的相对关系是不会改变的。有些人错误地认为， 64位机能够提高速度，其实是64位机由于它们的寻址空间大大地增加便可以“接 受”大网格点的仿真问题了，不像 32 位计算机有 2-3GBytes 最大可接受文件的 限制。可是，“接受”或能够仿真绝不意味着它们的计算速度就提高了。其实， 原来固有的N3、N2和N1.1-1.2的计算量依然不变，即所需的CPU时间同样还是 这么多。举例来说，对于有限元方法，10万个网格点若需要10小时CPU，则100 万点时则需 1000 小时！这个 N 平方关系与 32 位还是 64 位计算机无关。内存需 求同样满足N的平方关系。故导致100万个网格点32位机无法计算，但64位机 则可以，只要其物理内存足够的大。这就是计算速度及内存需求与网格点关系的 通用解释。请注意：CPU数目的增加一般是线性的（目前主流64位PC工作站最 大支持16个CPUs）。况且，它还受到硬件投资的约束。 再看对计算机的要求。CST MWS 由于采用有限积分算法，在数学上没有矩 阵求逆的过程，而有限元法是必须要做矩阵求逆，所以对计算机配置要求比较低， 具体在 CPU P4，内存 64M，硬盘 1G 以上即可。举一个具体例子，一个普通计 算机，配置是 CPU P4 2GHz, 内存 1G，硬盘 1G 的计算机，可计算分析 800 万个 网格的大物体；而同样配置下，有限元软件不超过20 万个网格。 2 2、CST MWS 的专利技术 CST MWS 专有的 PBA 和 TST 技术，在保证精度的情况下，极大的降低了内存需求， 提高计算速度。 1998 年引入了专有的 PBA™（Perfect Boundary Approximation™）技术，使 CST MWS 的结构逼近趋近完美。此方法采用插值的方式，弥补了经典 FDTD 类算法对曲面物体近似 度差的缺点，同时又保有网格划分容易、对大问题快速及内存需求小这三大原有的优点。 2002 年又引入了 TST™（Thin Sheet Technology™）薄片技术，在程序内部，通过对细线 和薄片的专门处理，大大地提升了对这两类