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CST学习报告第1章 CST仿真基本流程：使用CST进行仿真，一般都要包括如下步骤：1.1 选择合适的工作室：加速器领域，常应用的工作室有：微波工作室，电磁工作室，粒子工作室。如下图所示：1.2 选择合适的模板：CST模板定义了仿真该类型的问题的一些基本设置，1.3 定义尺寸：在工具栏solveunit中定义，如下图所示。在后面的仿真设置中，除非系统提示，单位都会按这个标准来设置。1.4 进行建模利用WCS工具栏（局部坐标），curve(曲线)和object(物体)工具栏中的命令进行建模。1.5 设置必要的电磁元件所有必要的设置都在solve栏中。例如微波工作室中端口(Waveguide ports or discrete ports)的设置，如不设置则无法进行对应的仿真操作，比如在微波工作室中，如果不定义端口，则无法进行Transient Solver和Frequency Domain Solver的求解。1.6 设置背景材料和边界条件在solve栏中进行设置背景材料是指在计算域中未被填充的部分应填充的材料，边界条件是指计算域边界的设置，后面有详细说明1.7 Mesh设置在Mesh栏中进行Mesh设置,Mesh设置将直接影响到仿真结果的正确性，故应特别重视。1.8 启动求解器solve某solver 进行仿真工作需对每个求解器的原理有充分的认识，按照求解器实际情况进行仿真设置工作。1.9 得到结果：仿真后在navigation tree1D Results 或者2D/3D Results中看看到仿真结果。1.10 结果后处理：在result选择适当的选项对结果进行后处理。特别是Template Based Postporcessing利用结果后处理模板进行结果的后处理计算。第2章 仿真入门实例：2.1 光阴极微波电子枪初步建模及简单研究选择模板：选择模板为particle tracking，如下图所示：保存文件点击FileSave,将文件命名为Particle Tracking.cst。定义单位SolveUnit:如下所示：定义背景材料SolveBackground 将Material type设为PEC，其他设置不变。建立微波结构模型2.1.1.1 新建components,右键点击Components，选择New Component，命名为microwave2.1.1.2 绘制微波结构旋转面.2.1.1.2.1 右键点击Curve，选择New Curve2.1.1.2.2 利用坐标绘制第一段线段点击 Curve1，使之背景变深，点击curveLine，按 Tab健直接输入起点坐标：（0，0）再按Tab健输入终点坐标：（0，4.151）建立第一条线段：2.1.1.2.3 利用pick工具和坐标绘制第二段线段点击curveLine，起点选择为第一条线终点，方法选择objectpickpick point(或直接使用快捷键 p)，如下图：可选的点均变为灰色，可见图中有两个点，双击选择上方的点，即第一条线终点。之后再按Tab健，输入坐标(2.377,4.151)2.1.1.2.4 绘制第三段线段点击curveLine，起点选择为第二条线段终点，再点击Tab健输入坐标(2.377，2.177)，得到如下图所示：2.1.1.2.5 继续建立线段点击curveLine，点击Tab健，起点选择为(4.404,2.177)，点击Tab健，终点输入为(4.404, 4.205048)。点击curveLine，起点利用pick point工具，双击选择前一条线段终点，终点点击Tab健，输入(7.648,4.205048)。点击curveLine，起点利用pick point工具，双击选择前一条线段终点，终点点击Tab健，输入(7.648,2.177)。得到如下图所示模型：2.1.1.2.6 绘制三个圆方法如下：点击curveCircle，点击Tab，输入坐标(3.304,2.177)，再点击objectpickpick point(或直接使用快捷键 p)，双击选择第三段线段下方的点：点击curveCircle，点击Tab，输入坐标(3.477,2.177)，再点击objectpickpick point(或直接使用快捷键 p) ，双击选择第四段线段下方的点。点击curveCircle，点击Tab，输入坐标(8.575,2.177)，再点击objectpickpick point(或直接使用快捷键 p) ，双击选择第六段线段下方的点，得到如下图形：2.1.1.2.7 删除多余的圆，保留所需的三段圆弧：对于第一个圆，点击curveLine，再用pick point方法，选择保留圆弧的起点和终点。得到如下图形：在navigation tree中点击刚刚建立的line7，如下图所示：点击curvetrim curves或点击#，再选择circle1，点击回车。之后提示删除的部分，如下图：双击即可删除多余的部分，只保留一段圆弧即可。按照相似的操作对于第二个圆和第三个圆都进行相同的操作，得到如下图形：2.1.1.2.8 绘制线段，形成闭合曲面首先链接两段圆弧之间部分，点击curveLine，利用pick point工具链接圆弧直接断开部分，建立线段，点击curveLine，利用pick point工具选择第三段圆弧右端部分，终点按Tab键输入(15,1.25)。建立线段，利用pick point工具选择上一段线段右端部分，终点按Tab键输入(15,0)。建立线段，利用pick point工具选择原点和右侧端点，曲面绘制完成，如下所示：2.1.1.3 旋转得到微波结构：2.1.1.3.1 将闭合curve转变为sheet选中curve1，点击curvescover planar curve，如下所示：双击curve1任意一条边，弹出如下对话框：材料选择为Vacuum,建立在microwave组中，点击OK仅仅有数学意义的curve转变为一个有物理材料属性的2维平面，如下图所示：2.1.1.3.2 旋转操作：点击objectpickpick face双击选择该面，点击objectrotate刚才我们只是选择了旋转面，还没有定义旋转轴，故系统提示选择定义旋转轴，可用pick工具进行定义，选择两个点确定旋转轴，我们选择x轴上旋转面边界的起点和终点即可。如图可见，旋转面上带有红色斑点，旋转轴为蓝色，再次点击objectrotate点击OK，弹出提示,原因是sheet和旋转体有交集：Sheet全部包含在旋转体中，选择add both shape即可，得到形状如下所示。微波结构腔型建立完成。建立聚焦线圈2.1.1.4 建立线圈横截面设线圈距腔体内壁距离为5公分，采用相对建模法。2.1.1.4.1 改为横截面视图点击viewcutting plane或使用快捷键shift+c，改为横截面视图，弹出对话框：将use cutplane选中，axis选择z轴，位置为0.00000，点击close,视图变为截面形式，如下所示：2.1.1.4.2 建立线圈横截面第一条线段：点击curveLine，再选择pick point，选择第二段腔体左侧端点后，点击Esc：出现如下对话框： 将Y1:yp(25)改为yp(25)+2.5，x2:改为xp(25)，Y2:改为yp(25)+5，即线圈宽度2.5cm。得到图形如下所示，2.1.1.4.3 建立线圈横截面其他线段，如下所示：线圈长度为5cm，按照类似的步骤建立步骤建立第二条线和第三条线，设置如下：得到如下图形：连接两个端点，即得到线圈横截面，如下所示。2.1.1.5 建立线圈旋转路径2.1.1.5.1 调整坐标系：点击WCSLocal Coordinate System，激活局部坐标系。再点击align WCS with YZplane，对局部坐标系进行调整之后点击Move Local Coordinate，对坐标系进行移动。弹出对话框，在dw方向输入10，如下所示：得到图像如下所示：可见局部坐标系已经移动到指定位置。2.1.1.5.2 绘制路径：在navigation tree中右键点击Curves，选择New Curve，如下所示：选中新建的Curve 2，点击工具栏中curvecircle,直接点击Esc，输入坐标：centre为(0,0)，半径为4,得到如下曲线。点击viewcutting plane或使用快捷键shift+c，将use cutting plane 选项关闭。点击close，可得到如下视图：2.1.1.6 建立线圈点击solveCurrent Coil from Curves，如下所示：主窗口上方，提示双击选择线圈横截面，双击选择方形coil，如下：接下来主窗口提示选择线圈横截面路径，选择圆，之后弹出对话框如下：定义电流为2.0A，匝数为1000匝2.1.2 求解聚焦磁场由于之前的设置主要考虑微波场的作用，将背景材料设为PEC以简化计算，而求解聚焦磁场，我们对模型做一定假设，设整个材料磁导率是均一的，故可近似等效为线圈在真空环境下对轴线的作用2.1.2.1 另存文件：点击File Save As 另存为 magnetic.cst文件。2.1.2.2 更改背景材料：点击SolveBackground Material，将背景材料更改为Normal,如下所示。并将Y、Z方向计算域的距离进行扩展，如下方设置，由于静磁场是无限延伸的，计算域越大，计算越精确。2.1.2.3 设置边界条件：该模型不复杂，为真实反映线圈的实际工作，将边界条件设为open(add space if)。如下所示：2.1.2.4 点击SolveM-static Solver，打开静磁求解器将精度设置为1e-6，如下：点击Start，开始求解，很快得出结果，点击Navigation Tree中2D/3D Results中的B-Field文件夹，如下：得到场型，如下所示。在CST2009里，可通过场导入的方法直接导入到particle tracking模式进行计算，而在CST2008中，无法这样做，但在这个情况下，磁场沿x轴是轴对称的，故可以通过x方向磁场确定整个空间的场分布（根据磁场无源公式及轴对称公式）。2.1.3 导出聚焦磁场2.1.3.1 利用后处理模板求解沿轴向磁场：点击ResultTemplate Based Post processing Shift+P弹出对话框，选择Evaluate Field along arbitrary Coordinates弹出对话框：按照如下图进行设置即可考察沿x方向场分布情况。点击OK，回到刚才后处理模板对话框，点击evaluate。即得到场型图，如下所示：2.1.3.2 导出场型文件。当主窗口为显示磁场型时，点击FileExportPlot Data保存为magnetic field along X.txt文件。2.1.4 导入聚焦磁场2.1.4.1 打开最初保存的particle tracking.cst文件。2.1.4.2 调整局部坐标系由于在导入场时，只能沿全局坐标系的z轴或者局部坐标系的w轴导入，而在本例中，是沿x轴导出的场，故必须使局部坐标系的w轴与x轴重合。方法为点击ObjectPickPick Circle center Point,再点击WCSAlign WCS with Selected Point在主窗口可见此时的w轴跟x轴完全等效。2.1.4.3 导入操作：在主窗口可见此时的w轴跟x轴完全等效，即可进行导入。点击SolvePredefined Magnetic Field弹出对话框，Type选择1D Description，点击Import,选择刚才导出的场文件，再将不正确的值删除，可通过观察主窗口的磁场图形来验证结果的正确性。2.1.5 定义粒子源2.1.5.1 绘制粒子源确认局部坐标系为打开状态，点击ObjectBasic ShapeCylinder，创建圆柱，点击Esc，输入坐标，圆心为(0,0)，半径为1.5，高度为-0.1到0，如下：2.1.5.2 设置粒子源2.1.5.2.1 隐藏其他部件由于粒子源很小，故为便于对其设置，将其他结构隐藏，方法为右键点击其他部件，点击hide隐藏。2.1.5.2.2 设置粒子发射面点击solveParticle SourceNew Particle Source on PEC-surface,双击选择粒子源内表面，如下图所示：点击回车，弹出如下对话框：粒子选择电子，由于本模型做了较大近似，情况不是很复杂，故可将particle density 设到Max。2.1.5.2.3 设置粒子发射模式点击Tracking Emission Model 中的 Edit，设置发射模式：设置发射模式为Fixed，动能类型为能量，初始能量0.5eV，能散30%开始角度设为90度，点击OK。2.1.6 设置边界条件2.1.6.1 删除线圈：由于导入1D电磁场已经完全可以代替线圈，故将线圈删除，方法为右键点击navigation tree中的coil并点击Delete。检查背景材料是否为PEC，由于另存文件，该设置应该不必调整。2.1.6.2 设置边界条件：设置边界条件如下，注意在束流管道出口处，为符合实际情况，在束流孔开孔处设置为磁边界，如下设置：2.1.7 开始本征模仿真2.1.7.1 设置频率范围点击SolveFrequency，打开如下对话框：按以上标准进行设置。2.1.7.2 进行Mesh设置。点击MeshGlobal Mesh Properties在本算例中，由于主要目的是熟悉方法，故为节省仿真时间，可对最小网格进行设置，方法将Mesh Line Ratio limit设为10。2.1.7.3 开始本征模仿真我们知道该结构的本征频率为大于2.85GHz的某一频率，故按照如下设置进行：（算法选择JDM，模式选择为1，频率目标选择为2.85）点击start开始仿真。2.1.8 开始粒子跟踪求解2.1.8.1 考察本征模求解器运算结果首先观察本征模求解器的计算结果，方法如下：点击2D/3D ResultModesMode 1e，如下：主窗口即出现本征场场型，如下所示：可见，在本征模激励下，最大场强为54MV/m。光阴极电子枪必须在特定相位加速即：纵向加速电场方向为负向时，出射的电子才能在微波场的作用下得到加速，通过右键点击主窗口，选择Plot Properties即可观察当前场的相位。如下所示：当前相位为0相位，调整其工作相位为-60度(该枪一般实际工作相位)2.1.8.2 设置粒子跟踪求解器并开始粒子跟踪。点击SolveParticle Tracking,将1D B-Field和Mode 1全部勾选上，表示考察粒子在外部导入静磁场和本征场同时作用下的运动情况，点击start开始仿真：点击轨迹，可以看到，电子在微波场和聚焦场共同作用下，最终能量达到4.4MeV左右，与实际情况基本一致。2.1.9 结果后处理及粒子导出：2.1.9.1 设置粒子监视器：点击SolveParticle Monitors双击选择束流管道出口处表面，如下所示：点击Plot Settings,选择Histogram 取样数1000，横坐标:Energy。点击OK。再点击SolveParticle Tracking，点击OK，再次运行粒子跟踪求解器。运行粒子跟踪后再在导航树中1D ResultsParticle Monitors中可找到监视器图像。2.1.9.2 设置粒子监视器：导出粒子状态：点击solveParticle Export Interface弹出如下对话框：按照如下数值进行定义，方向选择x,即屏处于x方向上，位置选择x方向为14.0，Y方向为-0.6到0.6，Z方向为-0.6到0.6，如下点击ResultExport Particle Interface，导出粒子状态。在工程文件存放目录本例为Particle Tracking/Result文件夹下，可以找到particle interface 1.pio文件，即为导出的粒子状态。第3章 CST整管仿真步骤3.1 基本原则3.1.1 熟悉原理，简化模型由于加速器结构复杂，需要对一些对其最终束流品质没有显著影响的结构进行较大的简化，比如固定用的螺母，电子枪外围的相关配件，只保留对其最终束流品质有显著影响的部分，这需要对整个加速器工作原理有清晰地认识。3.1.2 细分模块，分别建模由于整管结构复杂，如果在一个模型中对整管进行细致的建模并整体进行仿真，会耽误大量的时间，一般不推荐将整条加速管完全建模仿真，而是分模块建模仿真，这就需要对各个模块的功能有很充分的认识。3.1.3 充分利用particle interface 和场导入功能来通过上面的原则，我们可以把功能和结构拆分，但各个模块还是有联系，这些联系需通过粒子接口和场导入功能来实现。特别注意，全局坐标及尺寸一定统一，因为对导入的粒子和场不能进行平移，只能进行场尺度变换操作。3.2 电子枪仿真基本流程3.2.1 电子枪建模主要有以下步骤i. 打开Particle Studio 选择Particle Tracking 模版。ii. 定义合适的单位尺寸iii. 对阴极按照实际情况进行建模iv. 对聚焦集按照实际情况进行建模v. 对阳极按照实际情况进行建模vi. 对微波结构按照实际情况进行建模3.2.2 电子枪仿真设置：主要包括以下步骤i. 进行背景材料和边界条件设置，背景材料一般选择真空材料，特别注意与边界间保证一定尺寸，边界条件按实际情况进行设置ii. 根据网格实际情况进行网格加密工作，特别要注意各材料的边缘和材料间的缝隙iii. 根据实际情况设置阴极和阳极的电压iv. (可能会有)根据实际情况设置线圈或磁场源v. 设置粒子源vi. 根据枪实际情况进行静电求解器、静磁求解器以及本征模求解器(详见下方说明)的设置3.2.3 粒子跟踪仿真主要包括以下步骤i. 进行粒子跟踪求解器的设置，注意迭代设置ii. 注意iii. 开始粒子跟踪仿真iv. 得到仿真结果3.2.4 设置粒子接口主要包括以下步骤i. 一般在束团束腰(最细处)位置设置接口，solveparticle export interface一定要在仿真开始前设置ii. 选择results export particle interface后得到文件iii. 文件在result文件夹下particle interface 1.pio里3.3 静磁静电仿真基本流程3.3.1 静磁静电结构进行建模，可以在CST EM Studio或 Particle Studio中建模，包括以下步骤i. 打开EM Studio 选择合适的模版，一般选择静磁模型ii. 定义合适的单位尺寸iii. 按照实际情况进行建模3.3.2 电磁元件设置主要包括以下步骤i. 进行背景材料和边界条件设置，背景材料一般选择真空材料，特别注意与边界间保证一定尺寸，在静电静磁仿真中，需特别注意边界条件的设置。ii. 根据网格实际情况进行网格加密工作，特别要注意各材料的边缘和材料间的缝隙iii. 根据实际情况设置电源，静电压，静电荷iv. (可能会有)根据实际情况设置线圈或磁场源或电流源3.3.3 求解器的设置i. 设置静电求解器和静磁求解器的精度，由于在加速器中，对电磁场精度要求较高，因此一般比默认配置提高一个数量级ii. 开始静电静磁仿真iii. 得到仿真结果3.3.4 保存导出场文件i. 文件在result文件夹下field_sh_b.m3d文件，在CST2009中，可导出至其他求解器进行处理。在 CST2008中，对于轴向对称静磁场，可通过导出沿对称轴的轴向磁场来给定其三维模型。3.4 微波结构仿真基本流程3.4.1 结构建模主要包括以下步骤ii. 打开微波 Studio 选择合适的模版iii. 定义合适的单位尺寸iv. 按照实际情况进行建模3.4.2 进行本征模仿真工作主要包括以下步骤i. 进行背景材料和边界条件设置，背景材料一般选择真空材料，而边界条件一般如果确定在该位置应该截止，则电磁边界设置可任意。如果不截止，则设置成周期边界，本征模求解器不支持开放边界。 ii. 注意算法的选择，见第五章算法原理说明3.4.3 定义微波激励源和监视器主要用于时域和频域求解器，包括以下步骤i. 可以定义波导端口和可以定义平面波ii. 可以定义离散边端口和离散面端口iii. 可以定义场监视器3.4.4 进行时域求解器或频域求解器的设置i. 注意时域求解器的边带问题，一般设为1.3倍ii. 注意频域求解器的带宽问题，尽量减少带宽。3.4.5 保存导出场文件vii. 一般本征模可通过m3d文件直接导出，而瞬态模则需要场监视器来进行监视导出(仅在CST2009中可用)3.5 PIC仿真基本流程3.5.1 建模包括以下步骤i. 打开微波 Studio 选择particle in cell模板ii. 定义合适的单位尺寸iii. 按照实际情况进行建模3.5.2 设置粒子源和导入外部场。i. 在CST2009中，一般建议先用其他求解器求解，最后通过导入粒子源，和电磁场的方式。ii. 在CST2008中，无法导入，只好设置激励进行求解 3.5.3 定义微波激励源和监视器或静态场电源i. 由于加速器一般为高品质因数问题，微波激励源需保证能够激发起其工作模式。 ii. 最好设置较多的监视器来更好监视粒子工作状态。3.5.4 PIC求解器的设置i. 仿真时间设置，一般较难预计，故采用设置较长时间终止方式进行定义3.5.5 对结果进行后处理第4章 系统建模技巧与注意事项4.1 基本原则要清楚模型几何联系，建模前仔细考虑，把需要特别考察的量设为参数，且模型需保证4.2 WCS坐标系：4.2.1 灵活利用用WCS坐标系：WCS坐标系可以任意移动及调整，能够通过align等操作利用模型间的相对关系建模，更加可靠。4.2.2 WCS相关操作：a) 通过align with face可在斜面上进行操作。b) align with point, align with face进行移动c) 所有curve都在uv 面()d) 可利用uv刀对面进行切分e) 可复制后移动wcs再粘贴，实现物体移动4.2.3 WCS注意事项：a) 注意当该操作即可用于WCS以及全局坐标操作时，通过是否激活来选择使用的坐标系。b) 在后处理模板中，默认是无法激活WCS，但可保存WCS，这样就可在后处理模板中使用WCS4.3 Curve使用4.3.1 Curve特点：a) 没有实际物理意义的曲线b) 必须建立在xy平面(WCS未激活时)或uv平面(WCS激活时)c) 可通过简单的宏实现任意解析形状，或通过数值给定的曲线。4.3.2 Curve用途：a) 建立线圈时使用b) 建立电压及电流时可通过curve定义。c) 可以在后处理模板中，考察沿任意curve形状的场d) curve通过各种操作形成物体，由于curve可以是任意形状，物体也可以是任意形状。e) 闭合curve可以转化成sheet，以及wire等具有物理意义的形状。4.3.3 Curve使用技巧：a) 建立curve过程中，为完成闭合边界，一般用pick point 建立各个物体,尽量用圆，不要用arc，总出现问题。b) 建立后用trim+delete去除多余的边4.3.4 Curve基本操作sweep 一个curve沿另一个curve进行扫描空间得到物体Loft 两个curve间进行自然过渡extrude 沿面延伸出物体trace 沿curve延伸出物体4.3.5 Curve Face Sheet Wire差别a) 在CST中 curve、face只有数学意义，没有物理特性，不参与物理仿真计算。b) 而sheet，wire是指几何形状有1维或2维没有维度的物体，具有物理特性，可参与物理仿真计算，后两者可以通过直接建模，通过设置使1维或2维为0来实现，也可以通过curve来在curvecover planer curve和wire from curve来建模实现4.4 Pick工具：4.4.1 Pick工具用途：在CST建模过程中，需要确定物体的坐标位置，而在设计过程中，需要调整物体尺寸，为保证调整尺寸时模型能够不致走样，尽量利用pick工具进行建模，只要CST能够识别其标志特征点，即使位置发生任何变化，该点也会随之进行调整。4.4.2 Pick工具技巧a) 用pick工具，可避免利用坐标无法闭合环路以及灵活性不高的问题，故建议必须采用。b) 在pick points lists中，选中点可形成边(两点)和中点(多点)c) 在pick edge lists 中，选中边可进行取中边操作分别取中点形成中边d) 在pick face lists 中，可进行取中点操作。4.5 物体建模操作：4.5.1 物体基本操作a) loft操作：选中两物体表面可进行b) shell操作掏空，先选中的面为开口面，其他面为闭口面。c) rotate：为保证精度一般选择pice face 并选择轴 选择shell 面进行操作，最后可以做出螺旋线。d) align操作:选择一个物体，objectalign with然后选该物体某面与另一物体某面贴紧，通过点和边来确定角度e) 对sheet选中bending sheet操作进行贴片(CST2009可用)4.5.2 物体变形点击ObjectTransform可进行操作通过勾选copy实现变形物体与原物体同时保留，同时勾选Unite可保证两物体合二为一a) 位移操作：b) 线性形变操作：各个方向形变倍数c) 旋转操作：只能沿UVW轴选择轴上一点(可通过pick选中)，然后选择沿哪个轴，不能自定义轴d) 镜像操作：只能通过选择镜像平面上某点(可通过pick选中)，及平面法相向量确定平面进行镜像操作，也可先pick face再镜像。4.5.3 布尔操作当两个物体重合时自动激发：也可点击物体后，点击ObjectBoolean进行包含如下操作。+ :1与2合并，最后结果材料与1相同。- : 用2的边缘来削减1，最后2会消失，所以不是很常用* : 得到1与2重合部分，最后结果材料与1相同。/ : 用2的边缘来削减1，但2保留。4.5.4 导入物体a) 一般选择FileImportSAT,b) 在导出时，为防止不兼容，建议用较低版本4.5.5 材料设置a) PEC与其他性质材料交叠时，默认交叠部分为PEC第5章 算法原理及相关的重要物理概念。5.1 CST基本原理在空间上，通过有限积分方法离散化麦克斯韦方程，并将方程矩阵化方便方便CST处理在时域上，通过处理为0(静磁场)为jw微波工作室频域求解 及时间步长间的相互联系(时域求解器，PIC)即可处理静磁场到THz一系列问题。5.2 CST比MAFIA改进MAFIA只能通过改变网格形状，如扇形网格，四面体网格来适应不同边界的物体，如果形状复杂，边缘肯定无法处理好。CST可通过PBA+TST来实现时域求解，而用TET-Mesh用FEM实现频域求解器来进行，PBA是指理想边界近似，是指对于含有边界的网格，通过一系列技术，使得一个网格可以处理两种介质的问题，将对每个mesh里的物体，其精确到一阶导数，TST可以处理一个cell中多个非PEC区域，但必须是一种材料的问题，如果一个cell中出现三种材料且还有PEC，或者一个cell中出现两段PEC，则必然出现问题。出现问题时，一般在solver启动后，经过calculate Matrix 步骤，会弹出发现不正常网格的对话框5.3 高频方法与低频方法5.3.1 高频方法与低频方法的基本概念高频方法是基于格林函数的方法，从宏观出发，其直接求解场点与源点间的关系，只需对源点区域进行网格划分，每计算一次得到在源点影响下，一个场点的电磁场值，仅适用于处理场点附近的各向同性简单介质分布，而不适用于多层及复杂结构，其距离越大渐进性越好，精读越高。因此仅适用于电大结构(500)的电磁散射，电磁辐射，天线干扰预估问题问题。低频方法是直接求解麦克斯韦方程的方法，从微观出发，通过求解麦克斯韦方程而求解出全空间的电磁场，需要对全空间进行网格划分，每计算一次得到全空间电磁场及全空间的频域特性，时域也完全求解出来，其适用于电小电中结构(250)的全电磁场仿真,可求解任意介质材料，任意介质分布的电磁场仿真问题。5.3.2 高频各方法与低频各方法精度高频算法，在给定网格条件下，由精度低至高排序：PO(物理光学) GTD(几何绕射) PTD(物理绕射) UTD(一致性绕射) ITD(增量绕射) CT(复射线法) SBR(弹跳射线法,CST2010会含有该算法)低频算法，在给定网格条件下，精读由精度高低排序：FDTD(时域有限差分法) FIT(有限积分法) TLM(传输线矩阵法) FEM(有限元法) MoM (矩量法) BEM (边界元法) MM(模式匹配法) FMM(快速多极子法) MLFMM(多层快速多极子算法) (红色为CST2009主要应用的算法)5.3.3 低频各方法时间成本比较对于FIT算法(时域有限积分和频域有限积分)，一般最终将麦克斯韦方程划成如下形式：其中右侧全部为已知，而M为大型稀疏矩阵，故单位内存的计算时间近似为矩阵维数N的一次方对于FEM算法(频域有限元方法)，一般最终将麦克斯韦方程划成如下形式：其中M和r为已知，M为大型稀疏矩阵，求解电场和磁场，但需要对其求逆，故单位内存的计算时间近似为矩阵维数的二次方对于MoM算法(积分方程求解器其中一个算法)，一般最终将麦克斯韦方程划成如上形式，但M为大型密集矩阵：故单位内存的计算时间近似为矩阵维数的三次方在多层快速多极子算法中，可简化为nlogn故虽然FIT算法精度很低，但由于其算法很快，故在同一仿真时间条件下，可将网格划得很密，依旧可以得到很好的仿真结果。CST的Transient 就是利用该算法求解电磁场。5.4 Paticle tracking 粒子跟踪求解器5.4.1 粒子跟踪求解器用途跟踪某一特定时刻的粒子在特定电磁场(2008中只能是静电场，静瓷场，和本征场 2009中可以在predefined magnet field 中导入瞬态场和监视器在特定频率下的瞬态场)下，不考虑粒子的电流效应对电磁场分布影响。5.4.2 枪迭代的用途由于是特定时刻，故无法仿真粒子连续发射的情形，因为粒子的空间电荷效应对粒子发射区域的电磁场有显著影响，这种效应可通过gun-iteration 来进行弥补。（存疑，迭代是哪一时刻的场）5.4.3 简单原理介绍动力学公式： 离散化：每个网格按照该公式进行计算，将场与粒子的运动联系起来。质量考虑了相对论效应。粒子运动学公式： 离散化：每个网格按照该公式进行计算。将粒子的运动与位置联系起来 枪迭代过程：注意只在粒子连续发射模式才有用，对于光阴极微波电子枪决不能用这种方式。记录粒子发射电场并跟踪空间电荷。空间电荷用来修正静电求解器的静电荷。然后再次计算在新场下的运动，再记录，这个过程不停重复直到发射电流及空间电荷满足收敛关系。第6章 网格划分6.1 网格设置基本概念由上一章CST的仿真原理可见，CST中是以网格为基本单位进行运算的，故网格的划分就显得尤为重要，网格的设置一般需要在仿真时间和仿真精度之间做出平衡，一般来讲，网格划分越密，则仿真时间越长，但精度越高。而网格划分越稀疏，则仿真时间越短，但相应的，精度就会下降。6.2 网格设置一般方法一般采取的方法是全局用较为标准的设置，而对于精细部分，采用局部网格加密的方法进行局部网格加密，一般就能满足大部分情况的需求。一般对于六面体网格，Lines per wave length设为10到20，四面体Steps per wavelength设为4到10。特别注意的是，网格划分是采用六面体还是四面体完全取决于算法，在solver中设置，而不是在Mesh工具栏进行设置。6.3 网格加密原则：a) 总原则：哪里电磁能能量集中，哪里网格要分密b) 奇点处网格要加密c) 指数衰减场处要加密d) 非均匀介质区域要加密e) 在PIC仿真中，为保证一个网格至少有四个宏粒子，为保证粒子连续性f) 在PIC仿真及particle tracking模式中，电子出射处网格一定要加密。6.4 全局网格设置：6.4.1 六面体网格全局设置：点击MeshGlobal Mesh Properties进入设置Lines per wave length(微波工作室及粒子工作室下)：每波长的线数Lower Mesh limit：最低的网格线数最大的mesh步长由此量决定：用来建立mesh,物体表面对角线长度除以该数，为上限。这两个量共同决定了网格的最大间距Mesh Line Ratio Limit：最大网格线比例限制最大网格间距与最小网格间距不得超过该数。最大网格间距确定，该数越大，则最小网格越小，仿真精度越高，时间越长Smallest Mesh Step：由几何确定Mesh间距，单位为定义的单位。这两个量决定网格的最小间距，一般来说，最小网格间距更与仿真时间相关Automatic Mesh Generation：自动网格生成开关，关闭后可人工添加若干条网格线Mesh Summary可以在这里看到网格的生成总结，包括最小及最大网格间距以及各个方向上网格个数。6.4.2 对于四面体网格：在微波工作室下主要有两个量是可调节的：Steps per wavelength: 跟Lines per wavelength 设置基本一致Minimum number of steps: 跟Lower Mesh limit基本一致。由于在四面体网格中最小网格间距并不显著影响仿真时间，故这两个量会显著影响网格质量。6.5 局部网格加密：6.5.1 局部网格加密设置Priority：局部优先级设置一般来讲，没有必要，其设置有两个目的:1.使用原始网格时(无PBA技术时)，优先级高的填满网格2.还有两个Fixpoint如果很近，在这种情况下，不取中点，而是取优先级高的点Mesh refinement：局部加密(自动加密)：两个参数，分别是：在该物体的边缘局部加密的倍数，内部局部加密的倍数由于这种方法不灵活，因此一般不推荐)Maximum mesh step width：最大网格步长一般通过这种方式实现网格加密，首先看global mesh properties 中的统计信息，然后通过减小最大网格步长来实现加密分别可以调整dx、dy、dz方向的最大网格步长，通过减小来实现加密，可以边加密，把主窗口Mesh View激活，在主窗口观察6.5.2 局部网格加密技巧对于一个物体，当一些部分需要加密而另一些部分不需，可采用补集法，用背景材料做成局部物体与需加密部分交叠，再作除法得到补集进行加密6.6 网格收敛性分析6.6.1 自适应网格加密Adaptive Mesh Refinement：自适应网格(在各求解器中进行设置)，加密Mesh，分析结果的收敛性，当结果收敛时加密终止。其设置很容易理解，但是由于没有时间因素，而时间一般和步长成三次方关系，故结果很容易算死，而且中间结果也没有保存，故不推荐该方式。6.6.2 宏扫描方式：推荐MacrosWizardParameter and Mesh Study进行研究。其中间结果都会保存在：Wizard / Compare multiple runs中 且可以方便的看见Lines per wave length的上限，避免跑死。第7章 边界条件及背景材料7.1 背景材料背景材料填充计算域所有未定义材料的区域。设置背景材料时，注意看根据实际仿真特性，是否需要设定一定的空间。一般利用启用静电和静磁求解器时，经常需要空出一定的空间，否则求解不精确。背景材料选择PEC时，静磁求解器无法很好的运转。7.2 边界条件7.2.1 边界条件基本原则：根据实际情况进行设置，电边界一般可等效为PEC，磁边界可等效为磁导率无穷大的物体。7.2.2 善用对称性简化计算electric：（电壁）电场垂直于对称面。magnetic：（磁壁）磁场垂直于对称面。Normal：仅在电磁工作室中，电场(调用静电求解器)或磁场(调用静磁求解器)垂直于对称面。 Tangential：仅在电磁工作室中，电场(调用静电求解器)或磁场(调用静磁求解器)平行于对称面。open：开放边界，近似于壁处于无穷远处。open(add space)：开放边界加距离，用于原场计算。天线计算推荐使用。Periodic: 仅在微波工作室中，周期边界，设置相差或近似相速度的物理量。考察色散结构很有用。Conducting wall: 仅在微波工作室中，导体墙，可等效为真实的金属壁，仿真趋肤效应Unit cell：仅在微波工作室中，单位腔，近似于单腔延展，沿两个方向对单位进行复制。7.2.3 电磁求解器边界设置：i. Electric(电边界)一般可等效为PEC，magnetic(磁边界)可等效为磁导率无穷大的物体ii. open选用open计算成本较大，如果考虑的是计算域中心位置的电磁场问题，尽量选用电边界或磁边界。iii. 在静电求解器中不必虑磁场，选择边界一般选择电壁或normal(电场垂直于表面)，磁壁或tangential(电场平行于表面)。 iv. 在静磁求解器中不必虑电场，选择边界一般选择磁壁或normal(磁场垂直于表面)，电壁或tangential(磁场平行于表面)。7.2.4 微波工作室求解器边界设置：i. electric or magnetic:电边界和磁边界同上ii. open:选用open计算成本较大，波通过该表面没有任何反射的情况，计算成本较大，注意本征模求解器不能使用open边界iii. 对于天线，一般选择Open (add space):iv. 周期边界:必须输入固定相差或相角，一般多用于本征模求解器，对于时域求解器，一般不使用该边界，对于频域求解器，可以定义相角使相移随尺寸增加成正比，定义theta与x相比，phi与y相比的相移为比这样波速就为定值，相差随计算域的增加而自动调整，Theta和phi不能定义到z方向，但定义该边界，频域计算会产生Floquet模式！特性未知v. 电衰减材料边界：边界为电衰减材料，可输入电导率vi. 单腔延展： 双向扩展，天线阵列时使用，可通过定义横向，纵向，间距斜向扩展vii. 对称性：如果有对称面穿过离散端口，电壁必须垂直端口线，磁壁必须平行端口线7.2.5 粒子工作室求解器边界条件：7.2.5.1 边界条件设置：由于粒子工作室首先调用