CST仿真设计理论与实践
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CST 是目前应用最广泛的电磁场仿真软件之一，熟练掌握该软件的建模和仿真技巧，是进入微波电路和天线相关领域的重要前提。本书将经典理论与仿真软件相结合，从IEEE 高引论文中选取结构简单且机理清晰的仿真实例，在仿真中融入微波电路理论和天线理论。本书内容可分为两部分：第一部分(第1～6 章)主要介绍软件的基本功能，包括初识CST，建模操作，激励端口、材料库与边界条件，求解器与求解设置，结果查看与数据后处理，优化器与高性能计算等；第二部分(第7～13 章)主要介绍具体的仿真实例及相应的理论基础，包括微波滤波器，微带贴片天线设计，特征模仿真，终端天线设计，周期结构仿真，散射场仿真，基于编程调用CST 的自动化建模与仿真等。
《CST仿真设计理论与实践》的仿真实例将理论与工程应用紧密结合，针对不同研究方向全面讲解了CST 的仿真技巧。《CST仿真设计理论与实践》可作为高校电子通信类专业本科生和研究生的教学用书，也可作为无线通信、微波射频和天线设计等领域技术人员的参考书籍。
目录
第1 章 初识CST1
1.1 CST 界面与设计流程1
1.1.1 CST 导航界面1
1.1.2 CST 设计流程3
1.1.3 CST 工作界面概览4
1.2 主菜单及工具栏4
1.2.1 File 选项卡4
1.2.2 Home 选项卡5
1.2.3 Modeling 选项卡5
1.2.4 Simulation 选项卡6
1.2.5 Post-Processing 选项卡7
1.2.6 View 选项卡7
1.3 子窗口8
1.3.1 Parameter List8
1.3.2 Progress 8
1.3.3 Messages8
1.3.4 Result Navigator 9
1.3.5 Navigation Tree 9
1.4 思考题9
第2 章 建模操作10
2.1 基本形状创建 10
2.1.1 创建一个“方体” 10
2.1.2 创建其他基本形状 12
2.2 选取工具 12
2.2.1 选取工具介绍 13
2.2.2 利用选取工具创建曲面 14
2.3 视图工具 15
2.3.1 视图选项 15
2.3.2 显示/隐藏形状 16
2.3.3 矩形选取 17
2.3.4 标注尺寸规格 18
2.4 工作坐标系 19
2.5 布尔操作 22
2.6 曲线工具 23
2.6.1 创建2D/3D 曲线 23
2.6.2 曲线工具(I) 24
2.6.3 曲线工具(II) 28
2.7 变换工具 30
2.7.1 变换操作 30
2.7.2 空壳操作 31
2.7.3 对齐操作 33
2.8 高级创建操作 33
2.8.1 倒直角与倒圆角. 33
2.8.2 旋转操作. 34
2.8.3 拉伸操作. 36
2.8.4 生成渐变图形. 38
2.8.5 弯曲工具. 39
2.8.6 解析式建模. 42
2.9 思考题 43
第3 章 激励端口、材料库与边界条件.44
3.1 激励类型与设置 44
3.1.1 波导端口. 45
3.1.2 波导端口的应用. 46
3.1.3 波导端口的常规信息 53
3.1.4 离散端口. 55
3.1.5 平面波激励源. 57
3.1.6 场源. 61
3.2 材料 61
3.2.1 材料库. 62
3.2.2 添加新材料. 62
3.2.3 编辑材料属性. 63
3.3 边界条件. 63
3.4 对称平面. 64
3.5 思考题. 65
第4 章 求解器与求解设置66
4.1 计算电磁学的基本概念. 66
4.1.1 电尺寸. 66
4.1.2 电磁数值计算方法. 67
4.2 求解器的类型与特点. 67
4.2.1 时域求解器. 68
4.2.2 频域求解器. 68
4.2.3 本征模求解器. 69
4.2.4 积分方程求解器. 70
4.2.5 高频渐进求解器. 70
4.2.6 多层平面矩量法求解器. 71
4.3 网格生成. 71
4.3.1 网格概述. 71
4.3.2 网格优化. 72
4.4 求解器参数设置 76
4.4.1 时域求解器参数设置. 76
4.4.2 频域求解器参数设置. 78
4.4.3 本征模求解器参数设置. 80
4.5 思考题. 81
第5 章 结果查看与数据后处理82
5.1 结果查看及相关设置. 82
5.1.1 结果类型. 82
5.1.2 标准结果查看. 83
5.1.3 监视器相关设置及结果查看. 83
5.1.4 后处理模板相关设置及结果查看. 89
5.2 1D 结果视图选项 91
5.2.1 绘图属性. 91
5.2.2 显示格式. 92
5.2.3 坐标轴属性. 92
5.2.4 图像标记. 92
5.3 2D/3D 结果视图选项. 93
5.3.1 绘图属性. 94
5.3.2 显示格式. 97
5.3.3 剖视图设置. 98
5.3.4 渐变图例设置. 98
5.4 宏与VBA 引擎 99
5.4.1 通过历史列表生成宏 99
5.4.2 预加载宏.101
5.5 思考题101
第6 章 优化器与高性能计算. 103
6.1 参数扫描.103
6.2 优化设计.104
6.2.1 初始化参数建模.104
6.2.2 设置优化器.105
6.3 优化设计应用实例110
6.3.1 参数扫描实例.110
6.3.2 优化设计实例.112
6.4 高性能计算.114
6.4.1 硬件加速技术.115
6.4.2 软件加速技术.117
6.5 思考题118
第7 章 微波滤波器. 119
7.1 腔体滤波器.119
7.1.1 耦合谐振器滤波器概述119
7.1.2 腔体滤波器仿真设计122
7.2 超宽带多模滤波器131
7.2.1 超宽带多模滤波器概述131
7.2.2 超宽带多模滤波器的仿真设计.132
7.3 思考题140
7.4 参考文献.141
第8 章 微带贴片天线设计 142
8.1 基本微带贴片天线单元
仿真设计.142
8.1.1 空腔模型.142
8.1.2 设计要求.146
8.1.3 CST 设计概述.146
8.1.4 CST 仿真设计.147
8.2 短路加载高增益微带贴片天线的仿真设计162
8.2.1 等效模型.162
8.2.2 方向性系数.163
8.2.3 设计要求.164
8.2.4 CST 设计概述.164
8.2.5 CST 仿真设计.165
8.3 滤波贴片天线的仿真设计171
8.3.1 基本原理与设计步骤.171
8.3.2 设计要求.174
8.3.3 CST 设计概述.174
8.3.4 CST 仿真设计.175
8.4 思考题.184
8.5 参考文献.184
第9 章 特征模仿真. 186
9.1 特征模理论概述186
9.1.1 坡印廷定理与广义特征值方程.186
9.1.2 特征模理论的重要参数.188
9.1.3 特征模与本征模的区别.189
9.1.4 CST 中的特征模仿真.191
9.2 偶极子天线的模式分析.192
9.2.1 偶极子天线设计概述.193
9.2.2 偶极子天线的特征模仿真设计.195
9.3 微带贴片天线的模式分析205
9.3.1 微带贴片天线设计概述.206
9.3.2 微带贴片天线的特征模
仿真设计.207
9.4 圆极化贴片天线的模式分析212
9.4.1 圆极化贴片天线设计概述.212
9.4.2 圆极化贴片天线仿真设计.213
9.5 耦合圆极化单极子
天线的模式分析219
9.5.1 耦合理论概述.219
9.5.2 耦合圆极化单极子天线仿真设计.223
9.6 思考题229
9.7 参考文献.230
第10 章 终端天线设计 232
10.1 终端天线介绍232
10.1.1 外置天线.232
10.1.2 内置天线.233
10.1.3 边框天线.234
10.1.4 手机天线的发展趋势.235
10.2 倒F 天线(IFA) .236
10.2.1 IFA 的衍变过程236
10.2.2 IFA 的设计236
10.2.3 IFA 的结构参数分析246
10.3 MIMO 天线与去耦.251
10.3.1 MIMO 天线概述.251
10.3.2 天线的去耦技术.252
10.3.3 MIMO 天线的仿真设计.257
10.3.4 MIMO 天线的去耦设计.262
10.4 slot 与手机边框天线263
10.4.1 本节概述.263
10.4.2 手机边框天线的建模仿真.265
10.5 手机天线的SAR 仿真.282
10.5.1 SAR 计算方法282
10.5.2 SAR 仿真模型的设置282
10.5.3 查看SAR 结果.285
10.6 思考题.289
10.7 参考文献.290
第11 章 周期结构仿真 292
11.1 1D 漏波天线.292
11.1.1 微带漏波天线理论分析.294
11.1.2 漏波天线设计概述.296
11.1.3 漏波天线设计.297
11.2 频率选择表面仿真. 311
11.2.1 FSS 单元简介. 311
11.2.2 FSS 单元仿真设计.312
11.3 基于周期反射表面的高增益天线.316
11.3.1 Fabry-Perot 谐振腔天线的理论分析.317
11.3.2 设计概述.319
11.3.3 基于周期反射表面的
Fabry-Perot 高增益天线
仿真设计.320
11.4 总结325
11.5 思考题.325
11.6 参考文献.326
第12 章 散射场仿真 327
12.1 散射近场的提取327
12.1.1 表面等离子体概述.327
12.1.2 设计要求.328
12.1.3 设计实例概述.328
12.1.4 CST 仿真设计.329
12.2 雷达散射截面(RCS)仿真338
12.2.1 RCS 概述338
12.2.2 设计实例概述.340
12.2.3 CST 仿真设计.341
12.3 思考题.345
12.4 参考文献. 346
第13 章 基于编程调用CST 的自动化建模与仿真 347
13.1 基于MATLAB 的调用347
13.1.1 CST 与MATLAB 的交互.347
13.1.2 应用实例——贴片天线建模和仿真.352
13.2 基于Python 的调用363
13.2.1 Python 环境配置.363
13.2.2 CST 与Python 的交互.364
13.2.3 应用实例——贴片天线
建模和仿真.366
13.3 思考题.376
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前言/序言
近年来，电磁场数值算法和仿真软件飞速发展，仿真软件已经成为微波电路和天线设计的重要工具。仿真软件友好的用户界面和日益完备的数值算法，使得器件的设计过程更加简单高效，结果更加准确，降低了该领域入门的难度，极大地提高了产品设计的效率和精度。目前主流的三维电磁场仿真软件有IE3D、HFSS、CST、FEKO、AWR、SONET 等，它们各有所长，在不同的场合各自具有其独特的应用优势。其中，CST 是目前被高校和行业使用最广泛的仿真软件之一，它具有用户界面友好、功能强大、仿真速度快、后处理能力强等优点，用户群体也越来越庞大。然而，长期以来，该领域一直缺乏面向不同层次使用者且简单易懂的CST 相关教程，不利于广大高校学生及行业技术人员全面了解和深入掌握软件的使用技巧。随着无线通信行业的飞速发展，射频电路、电磁场电磁波和天线技术等领域涌现了很多新的概念和设计方法，而仿真软件自身也不断增加和完善了新的功能。在此背景下，笔者一直希望能编写一本与时俱进的教程，能够涵括不同的研究方向，能同时为高校学生及行业的技术人员提供参考。幸运的是，我们几个志同道合的编者走到了一起，在达索析统(上海)信息技术有限公司和广州浦信系统技术有限公司的支持下，我们经过不懈的努力，终于在2022 年初完成了初稿。
