CST仿真算法選擇:如何在保證仿真精度的情況下提高仿真速度
如何在保證仿真精度的情況下，提高仿真速度
——CST仿真算法選擇
題記
去年參加CST2012發(fā)布會(huì)的時(shí)候，聽到張敏教授做的講座，開始主要到使用CST的時(shí)候要根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合靈活的選擇CST中的各種仿真算法，不要一味的時(shí)域強(qiáng)攻。
前一些日子，用CST仿真一種鰭線結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換，因而需要仿真得到相應(yīng)的S參數(shù)和結(jié)構(gòu)中的電磁場(chǎng)、電流分布。各種CST算法基本上都嘗試了一遍，但是仿真速度還是過(guò)慢，最后被迫采用了HFSS仿真。
現(xiàn)在對(duì)張教授的話深有感觸了，下面把各種算法的仿真時(shí)間，精度與大家分享下，希望能夠集思廣益，討論下不同的電磁結(jié)構(gòu)應(yīng)該在CST中應(yīng)該用什么算法仿真。
當(dāng)然，更廣泛的討論就是什么情況下用哪種電磁仿真軟件，如CST、HFSS、Feko等。
交代下各算法比較的共同點(diǎn)
1.結(jié)構(gòu)相同
2.默認(rèn)設(shè)置，不管頻域算法還是時(shí)域算法全部是自適應(yīng)網(wǎng)格加密，Pass數(shù)默認(rèn)，收斂精度默認(rèn)。
一、各個(gè)算法仿真時(shí)間比較
| 算法 | 簡(jiǎn)稱 | 仿真時(shí)間 | |
頻域算法 | General Purpose, TetrahedralMesh, Accuracy 1e-4 | F | 2H37M（delta7500,16核，CPU占用50%） |
General Purpose，TetrahedralMesh，Use Broadband Frequency Sweep, Accuracy 1e-4 | FB | 41S（普通電腦，雙核，4G） | |
Resonant：FastS-Parameter, Accuracy 1e-4 | FF | 跟結(jié)構(gòu)有關(guān)系，諧振少收斂快的速度就快，這里跟F一樣慢 | |
Resonant：FastS-Parameter，F(xiàn)ield, Accuracy 1e-4 | FFF | 貌似跟F一樣慢，直接cancel了，沒等它跑完（delta7500,16核，CPU占用50%） | |
| 時(shí)域算法 | No AR-Filter | T | > 10h（delta7500,16核，CPU占用50%） |
AR-Filter | TAF | >10h（delta7500,16核，CPU占用50%） | |
CST中唯一比較能夠接受的是FB，但是精度。看下面吧。
二、各算法仿真精度比較
仿真精度：F（紅）,FF（藍(lán)）,T（綠）
S21：
S11：
由上圖可以看出時(shí)域算法與普通頻域算法，計(jì)算結(jié)果非常接近，因而是可信的。但Fast頻域算法誤差太大，不適合該模型（該模型中包含色散介質(zhì)）。
為了驗(yàn)證HFSS仿真的精確性，下面對(duì)相同的結(jié)構(gòu)分別用HFSS和CST T進(jìn)行了仿真并且對(duì)結(jié)果進(jìn)行了比較
Note:上面比較的是back to back結(jié)構(gòu)，這里比較的是only half結(jié)構(gòu)
曲線大部分非常接近，可以認(rèn)為仿真有效。
三、補(bǔ)充和思考
1.CST中FF算法仿真速度非常快，只運(yùn)行一次頻域計(jì)算，就能反演出整個(gè)頻帶上S的參數(shù)；這一點(diǎn)跟HFSS的Fast Sweep很想，但是仿真精度無(wú)法比擬。當(dāng)然，這也跟FF的應(yīng)用條件有關(guān)系，其不能用于非PEC金屬和色散介質(zhì)的仿真，這里面的電路板覆銅是有耗金屬，基板是色散材料，因而仿真精度無(wú)法保證。
2.CST中F算法并沒有給出默認(rèn)取多少點(diǎn)合適，我這里取的是20個(gè)點(diǎn)。FB算法比F算法相比，優(yōu)點(diǎn)是如果S參數(shù)曲線能夠較快收斂，可以從很少的頻域采樣點(diǎn)反演出整個(gè)頻帶內(nèi)的S參數(shù)。個(gè)人比較喜歡采用，但是，非常不幸的是這里的仿真跑完20個(gè)點(diǎn)也沒有收斂。
3.CST中FFF存在的意義不知道是什么，反正這里一點(diǎn)沒看出仿真時(shí)間會(huì)減少。
4.CST中T算法很強(qiáng)大，但是仿真這種存在諧振的結(jié)構(gòu)的時(shí)候，一個(gè)是比較慢，另一個(gè)就是生成的曲線通常都有波紋（我知道增大脈沖時(shí)間，理論上能消除波紋，時(shí)間等不起）。但是個(gè)人對(duì)其精度比較放心（出于用的最多，最熟練吧），常作為與其他算法比較的參考。
四、不同電磁仿真軟件的使用
首先，聲明純屬個(gè)人感覺，不敢保證絕對(duì)正確，外加自己才疏學(xué)淺，目前只用過(guò)CST、HFSS、Feko這三個(gè)。
這里所說(shuō)的仿真尺寸是對(duì)一般的4G及以下的普通電腦，不是服務(wù)器。
1.一般尺寸（10個(gè)波長(zhǎng)量級(jí)左右及以下）物體的電磁仿真，出于精度考慮，一般用HFSS、CST。強(qiáng)諧振的被迫用HFSS，一般的個(gè)人喜歡用CST。
2.電大尺寸（10個(gè)波長(zhǎng)以上）物體的電磁仿真，F(xiàn)eko比較合適。雖然以前用CST的I-solver能夠算到20個(gè)波長(zhǎng)左右，但是時(shí)間要比Feko長(zhǎng)Ｎ倍，N>>10．CST的Ａ-solver可以算50個(gè)波長(zhǎng)以上，但是結(jié)果不敢相信，起碼不適合反射面天線的仿真。
HFSS的FAST對(duì)于寬帶的東西還是算了吧。顯然不準(zhǔn)，分段掃描靠譜些；
CST對(duì)寬帶的東西很準(zhǔn)，趨勢(shì)最起碼很準(zhǔn)
樓主提到，CST的高頻！A求解器結(jié)果不準(zhǔn)，本人不能認(rèn)同
A求解器用的是PO算法的拓展版本SBR算法，其實(shí)Grasp等業(yè)界公認(rèn)的反射面仿真工具也是用了非全波的PO、GO等算法，豈不是他們的結(jié)果也不能相信了？
首先要澄清一點(diǎn)，我沒有深入研究過(guò)計(jì)算電磁學(xué)，絕不敢隨便懷疑已經(jīng)存在N久的PO、GO等算法，但是每種算法都有其應(yīng)用條件的，這個(gè)我可能沒有闡述清楚。
A-Solver用的SBR，這個(gè)是CST help中所寫，沒問題。你所說(shuō)是PO算法的拓展版本，多謝指教了。下面我從兩個(gè)方面來(lái)說(shuō)明我的觀點(diǎn)：
1.理論分析
在CST中對(duì)其應(yīng)用條件有極其嚴(yán)格的限制，1只能用于PEC和表面阻抗結(jié)構(gòu)；2.“Despite its limitations, it may often be the first choice for electrically very large problems which are difficult to handle by using any other simulation technique. ”也就是說(shuō)，只有當(dāng)其他算法都無(wú)法處理的時(shí)候，才被迫用A-Solver。因而，我們可以知道，相對(duì)于其他算法其精度比較低。
2.使用體會(huì)
以前用A-Solver求解一個(gè)100波長(zhǎng)*200波長(zhǎng)量級(jí)（普通計(jì)算機(jī)）的反射面天線，得到的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖非常尖銳，只有主波束方向的能量，不像普通的天線方向圖存在輻射較低的方向，且這些方向存在各種波動(dòng)。給人的感覺有點(diǎn)像GO，而不是PO算法，因?yàn)槠浞较驁D跟用Tracepro仿真的結(jié)果非常接近。而且，A-Solver只能查看遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，無(wú)法查看一定距離面上的電磁場(chǎng)分布。
Feko中的PO算法計(jì)算得到的明顯可以看出主瓣、后瓣，并且可以像T-Solver一樣查看一定距離面上的電磁場(chǎng)分布。
因而，對(duì)于像反射面天線這種量級(jí)的仿真還是用Feko的PO比較可信，而A-Solveer也許應(yīng)該用在天線安裝到軍艦或者大型飛機(jī)上的環(huán)境效應(yīng)影響的這種更大尺寸的應(yīng)用場(chǎng)合。
這個(gè)只是你自己的妄加猜測(cè)吧？
我使用前先對(duì)整個(gè)Ka波段上Discete Sweep、Interpolating Sweep、Fast Sweep仿真結(jié)果進(jìn)行過(guò)對(duì)比的，結(jié)果基本上是重合的，回頭我把比較的圖貼上來(lái)給你看看。
1. 我也相信A-solver的精度是CST算法中最低的，但對(duì)于反射面天線，只能用它來(lái)算（小一點(diǎn)的可能可以勉強(qiáng)用I-solver）。所以我覺得“Despite its limitations, it may often be the first choice for electrically very large problems which are difficult to handle by using any other simulation technique. ”這句英文更多地應(yīng)該是在“褒獎(jiǎng)”A-solver算法的：“盡管它不是全波算法，但是他是處理電大尺寸的不二選擇”。純光學(xué)算法GO已經(jīng)得到了很廣泛的認(rèn)可，SBR從理論上講，比GO多算了一下金屬表面的感應(yīng)電流，它應(yīng)該更“物理”些，也更準(zhǔn)確些。但CST公司把這個(gè)SBR算法寫的如何，就不太清楚了，help文件也沒什么介紹；
2. 我對(duì)小反射面天線用I-solver和A-solver進(jìn)行過(guò)對(duì)比，結(jié)果接近的很，主波束增益差別小于0.2dB，在非常遠(yuǎn)的遠(yuǎn)旁瓣的某處地方I-solver可能會(huì)略高25dB，這應(yīng)該是因?yàn)镾BR算法無(wú)法考慮陰影場(chǎng)、繞射場(chǎng)所引起的，所以A-solver在對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)旁瓣、天線可能存在的縫隙結(jié)構(gòu)上（比如網(wǎng)格狀的反射面天線）的計(jì)算上存在一定的不準(zhǔn)確；
3. 不太清楚你說(shuō)的看不到旁后瓣是什么意思，反射面天線當(dāng)然不存在較強(qiáng)的旁后瓣，其主瓣極其尖銳。如果你說(shuō)的是從3D方向圖上看不清旁后瓣而只有主瓣，可能是你的動(dòng)態(tài)范圍設(shè)置太小了，你那么大的天線我覺得應(yīng)該設(shè)置個(gè)70dB的動(dòng)態(tài)范圍；
4. Feko的PO我也用過(guò)，沒覺得跟A-solver結(jié)果有啥質(zhì)的區(qū)別，但是我沒對(duì)同一個(gè)結(jié)構(gòu)做過(guò)對(duì)比，不好講，呵呵。
Ka波段是26.540GHz，相對(duì)帶寬1.5，我一直認(rèn)為寬帶至少也要2:1以上吧。呵呵
以前我做過(guò)一個(gè)5:1的寬帶天線，這種情況下，HFSS的fast真的不行，趨勢(shì)都不一致，但也不知道是不是對(duì)所有類型的天線都不行，咱經(jīng)驗(yàn)不足，估計(jì)也可能說(shuō)的片面了。
這里理解上可能有點(diǎn)差別，我覺得寬帶應(yīng)該是相對(duì)帶寬，而不是看絕對(duì)帶寬。Ka波段26.540GHz，相對(duì)帶寬1.5:1，我不了解這個(gè)帶寬上HFSS的fast模式的準(zhǔn)確度如何。
我所說(shuō)的，是基于以前我做過(guò)一個(gè)相對(duì)帶寬約6:1的天線（1.27GHz），fast模式的計(jì)算結(jié)果的趨勢(shì)都不對(duì)，完全沒有參考性。
暈，對(duì)四樓的回復(fù)怎么不顯示出來(lái)？如果是我網(wǎng)絡(luò)抽風(fēng)了，版主幫忙刪了吧
Ka波段是26.540GHz，相對(duì)帶寬1.5:1，我覺得不算太寬的寬帶吧。寬帶應(yīng)該看相對(duì)帶寬，而不是絕對(duì)帶寬吧？
以前做過(guò)一個(gè)6:1相對(duì)帶寬的天線，HFSS的fast模式的結(jié)果真心不能看。趨勢(shì)都不對(duì)，帶寬截止點(diǎn)完全無(wú)法參考。
所以這里我們的理解上可能存在一點(diǎn)偏差。
您的觀點(diǎn)有一點(diǎn)我不太同意，應(yīng)該說(shuō)SBR方法和PO方法都是GO算法的增強(qiáng)。SBR法將GO方法中的射線循跡用相互獨(dú)立的射線管（Ray tubes）進(jìn)行了簡(jiǎn)化，引入基于射線密度歸一化(RDN)概念。SBR法更多的是研究多次射線尋跡方法，它與PO還是有所不同。PO法沒有考慮多次作用或者邊緣衍射，SBR法考慮了多次作用，但是也沒有考慮棱邊散射。不過(guò)兩者倒是可以很好的結(jié)合，形成PO-SBR法。不知道CST中兩者是獨(dú)立的還是相互有結(jié)合？
