Применение ПО CST Microwave Studio для расчёта микроволновых антенн и устройств СВЧ

Министерство образования и науки Российской Федерации 

 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ 

УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) 

 

Кафедра сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники  

   
 

 

 

 

Фатеев А.В. 

 

Применение ПО CST Microwave Studio  

для расчёта микроволновых антенн и устройств СВЧ 

 

Учебное пособие 

 

Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки  

специалистов 210601.65 – Радиоэлектронные системы и комплексы  

и магистров 210400.68 – Радиотехника  

 

 

 

 

 

 

 

 

2014 

УДК 621.3.049.77.029:681.3.06 

 

Рецензенты: 

канд. техн. наук, доцент кафедры РЭТЭМ Томского 

государственного университета систем управления и радиоэлектроники  

Лощилов А.Г. 

канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой радиотехники 
ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» 

Саломатов Ю.П. 

 

 

Фатеев А.В.  

Применение ПО CST Microwave Studio для расчёта микроволновых антенн и 
устройств СВЧ: Учебное пособие. – Томск:  Томск. гос. ун-т систем упр. и 
радиоэлектроники, 2014. – 121 с.  

 

Излагаются 
основы 
работы 
с 
системой 
электродинамического 

проектирования CST Microwave Studio. Приведены примеры моделирования 
антенн и устройств СВЧ. Рассмотрены особенности обработки результатов 
проектирования. 

Учебное пособие предназначено для студентов технических вузов, 

обучающихся по направлениям подготовки специалистов 210601.65 – 
Радиоэлектронные  системы и комплексы и магистров 210400.68 – 
Радиотехника, и включает   учебные материалы по дисциплине «Устройства 
СВЧ и антенны». 
 

 

 

 

 

 

 

© Томск. гос. ун-т систем управления и 
радиоэлектроники, 2014 

© Фатеев А.В., 2014 

Содержание 

 

Введение ...............................................................................................................4 
1. Введение в CST Microwave Studio ..............................................................5 
О программе .........................................................................................................5 
Основные действия и настройки для создания CAD модели .........................8 
Создание объектов ........................................................................................... 13 
Свойства объектов ............................................................................................ 16 
Cвойства материалов ....................................................................................... 17 
Преобразование объекта .................................................................................. 19 
Привязки объекта ............................................................................................. 22 
Примеры использования привязок ................................................................. 23 
Использование кривых .................................................................................... 28 
2. Настройки для электромагнитного расчёта ......................................... 34 
Назначение портов устройства ....................................................................... 37 
Разбиение сетки ................................................................................................ 41 
3. Пример моделирования коаксиального изгиба ................................... 44 
Запуск СST Microwave Studio ......................................................................... 45 
Задание множителей размерностей ................................................................ 45 
Опреление основного материала .................................................................... 45 
Создание модели объекта ................................................................................ 46 
Установка портов ............................................................................................. 55 
Задание частотного диапазона ........................................................................ 58 
Настройка граничных условий и симметрии ................................................ 58 
Визуализация сетки .......................................................................................... 62 
Анализ мод портов ........................................................................................... 66 
Анализ S-параметров ....................................................................................... 69 
Адаптивное разбиение сетки........................................................................... 71 
Анализ электромагнитного поля на различных частотах ............................ 76 
Параметризация модели и автоматическая оптимизация ............................ 82 
4. Пример расчета антенны .......................................................................... 98 
Литература ...................................................................................................... 119 
 

Введение 

В настоящее время многие разработчики антенн и устройств СВЧ 

используют 
специализированные 
 
системы 
электродинамического 

проектирования. В основе работы подобных программных продуктов лежит 

численное 
решение 
уравнений 
Максвелла 
в 
интегральной 
или 

дифференциальной форме. Основополагающий метод решения, несомненно, 

влияет на эффективность и точность, с которыми могут быть смоделированы те 

или иные высокочастотные компоненты и устройства.  

Учебное пособие состоит из четырёх разделов. Первый раздел даёт общее 

представление и пользовательском интерфейсе программы. Во втором разделе 

описаны основные инструменты для создания модели устройства и настройках 

программы. Последующие два раздела посвящены расчёту антенны и 

коаксиального перехода и приведены возможности постобработки результатов, 

которые дают наглядное понимание о работе устройства и распространению 

электромагнитных полей в нем. 

Цель учебного пособия – дать студентам основные понятия из области 

моделирования техники антенн и устройств СВЧ, помочь овладеть основными 

инструментами 
расчёта 
и 
принципами 
построения 
антенных 
систем. 

Современный радиоспециалист должен ориентироваться в этих вопросах, 

должен знать возможности современных систем электродинамического 

моделирования, а в конкретной ситуации суметь правильно создать модель, 

рассчитать и спроектировать требуемое устройство. 

1. Введение в CST Microwave Studio 

О программе 

CST Microwave Studio является одним из пакетов программ от CST Studio 

Suite: 

 CST MICROWAVE STUDIO является программой для трёхмерного 

волноводов и антенн до оптических элементов. Программа позволяет 

решить задачу несколькими методами и даёт большую точность расчёта. 

Диапазон, длин волн в котором программа наиболее эффективно работает – 

от коротковолонового до нанометрового 

 CST EM STUDIO представляет инструмент анализа и проектирования 

статических и низкочастотных структур. Области применения включают в 

себя соленоиды, трансформаторы, задачи электромагнитной совместимости, 

генераторы, электромеханические измерительные головки, моторы, датчики 

и экранирующие конструкции. Имеется возможность анализа электро- и 

магнитостатических полей, вихревых и поверхностных токов. 

 CST PARTICLE STUDIO является пакетом для проектирования и анализа 

трехмерных электронных пушек, катодных лучевых трубок, магнетронов. 

Он 
включает 
несколько 
программных 
продуктов 
CST 
STUDIO 

моделирующих 
движущие 
носители 
зарядов, 
а 
также 
учитывает 

температурные процессы. 

 CST PCB STUDIO – пакет для исследования распространения радио 

сигналов в печатных платах, в том числе решая задачи электромагнитной 

совместимости (EMC) и электромагнитных помех (EMI). 

 CST CABLE STUDIO предназначена для анализа трассировки, влияний и 

совместимости связанных линий, включая коаксиальные кабели, одиночные 

провода, витые пары и сложные совокупности кабелей. 

 CST 
MPHYSICS 
STUDIO 
– 
специализированный 
пакет 
для 

термодинамического и механического моделирования. 

 CST CABLE STUDIO – специализированный пакет для моделирования 

электромагнитных эффектов в кабелях, позволяющий оптимизировать вес и 

размер одиночных проводов, витых пар, а также сложных жгутов с 

неограниченным числом проводников. Программа позволяет оценивать 

напряжения в разных точках кабелей, токи через определённые проводники, 

S-параметры, импедансы, а также взаимные наводки проводников друг на 

друга. 

 CST BOARDCHECK – специализированный пакет, позволяющий выполнять 

импорт проектов печатных плат, выполненных в различных системах 

проектирования, и выявлять в них возможные проблемы электромагнитной 

совместимости по набору заданных ограничений. 

 CST DESIGN STUDIO – это универсальная платформа для управления всем 

процессом разработки сложной системы, начиная с электрических 

компонент и заканчивая радиосистемой. Она проводить косимуляцию 

проекта, рассчитанного всеми пакетами CST Studio. 

В основе программы CST MIcrowave Studio лежит разработанный 

компанией CST метод аппроксимации для идеальных граничных условий 

(PBA), удачно дополняющий хорошо зарекомендовавший себя метод 

определённых интегралов (FI), работающим во временной области. В любом 

методе, связанном с моделированием конечных элементов, все поверхности 

разбиваются на небольшие элементы. Если модель СВЧ устройства задана 

только прямыми плоскостями, то число анализируемых элементов разбиения 

невелико, и расчет проводится относительно быстро. При использовании в СВЧ 

устройствах криволинейных поверхностей, для их аппроксимации требуется 

намного 
большее 
количество 
элементов 
разбиения, 
что 
приводит 
к 

значительным временным затратам при анализе. Комбинация методов PBA и 

FI, предложенная компанией CST, позволила быстро решать задачи 

моделирования сложных СВЧ устройств с криволинейными поверхностями. 

 

Типичными устройствами, моделируемыми с помощью пакета CST 

Microwave Studio, являются: 

 волноводные и микрополосковые направленные ответвители 

 мощности; 

 делители и сумматоры мощности; 

 волноводные, микрополосковые и диэлектрические фильтры; 

 одно- и многослойные микрополосковые структуры; 

 различные линии передачи; 

 коаксиальные и многовыводные соединители; 

 коаксиально-волноводные и коаксиально-полосковые переходы; 

 оптические волноводы и коммутаторы; 

 различные типы антенн - рупорные, спиральные, планарные. 

Основные характеристики пакета CST Microwave Studio. 

 Расчёт S-параметров в широком диапазоне частот. 

 Мощный встроенный язык написания макросов VBA, поддержка технологии 

связывания и встраивания объектов (OLE). 

 Быстрое и точное решение во временной области, полученное с помощью 

метода определенных интегралов. 

 Значительное увеличение производительности благодаря использованию 

метода аппроксимации для идеальных граничных условий (PBA). 

 Построение анализируемой структуры на базе ACIS. 

 Импорт и экспорт структур в форматах SAT, IGET и STL. 

 Различные режимы возбуждения структуры с помощью внешних и 

внутренних портов. 

 Расчёт собственных мод портов  

 Автоматический расчёт импедансов портов. 

 Анимационное отображение полей. 

 Отображение полученных результатов по мере выполнения расчета. 

 Мощный оптимизатор. 

 Расчеты поля антенн в дальней зоне (двух- и трехмерное представление 

поля, усиление, расчет угловой ширины основного и боковых лепестков 

диаграммы направленности). 

Основные действия и настройки для создания CAD модели 

При открытии программы CST Studio Suite (рис. 1), она позволяет выбрать два 

варианта запуска необходимого пакета: 

 

Рисунок 1. Интерфейс программы CST Studio Suite 

 

1. Воспользоваться мастером конфигурации. Для этого необходимо выбрать 

Create Project (см. рис.2) и, следуя подсказкам, можно задать 

предустановки и выбрать наиболее подходящий метод расчёта. 

 

Рисунок 2. Окно мастера конфигурации 

2. Либо выбрать модуль CST Microwave Studio. 

Основной интерфейс программы состоит из нескольких окон: 

1. Navigation Tree – дерево проекта, 

2. Ribbon – элементы управления,  

3. Drawing Plan – окно отображения CAD модели или результатов расчёта,  

4. Parameter list – окно параметров объектов,  

5. Massages and progress – окно сообщений. 

На рисунке 3 представлено изображение главного окна CST Microwave 

Studio. 

 

Рисунок 3. Интерфейс программы CST Microwave Studio 

 

Как можно заметить, интерфейс CST Microwave Studio (MWS) не отличается 

от интерфейсов любых других CAD программ, с помощью которым можно 

создавать 3D-модели объектов.  

Элементы управления разбиты на тематические вкладки (рис. 4), с помощью 

которых можно последовательно управлять всем интерфейсом программы.  

Рисунок 4. Элементы управления 

 

Вкладки выстроены в логическую последовательность работы с проектом: 

базовые (Home), создание объектов (Modeling), настройки для расчёта 

(Simulation), постобработка результатов расчёта (Post Processing), настройка 

отображения объектов (View).  

Начало проектирования в MWS связано с базовыми настройками вкладки 

Home. Здесь необходимо установить множители размерностей (Units) для 

частоты, длины и времени. Например, это гигагерцы, миллиметры и 

наносекунды, или килогерцы, сантиметры, миллисекунды. Далее выбрать метод 

расчёта (Setup Solver) [1]: 

 
Transient Solver, основанный на методе конечных разностей во 

временной области (FDTD), может провести расчёт проектируемого 

устройства в широком диапазоне частот после расчёта единственной 

переходной характеристики (в отличие от частотного метода, который 

требует анализ во многих частотных точках). Этот метод очень эффективен 

для решения многих СВЧ устройств, переходов, линий передачи, антенн 

(рис. 5) и т.д. Очень важная особенность решения во временной области – 

пропорциональная зависимость требуемых вычислительных ресурсов от 

размеров структуры. Решение во временной области времени может стать 

неэффективным из-за медленно спадающих во времени сигналов – откликов 

или при решении низкочастотных задач, когда размер структуры намного 

меньше длины волны.  

Рисунок 5. Пример антенной решётки 

 

 Frequency Solver, основанный на методе конечных разностей (FEM), 

позволяет 
проводить 
расчёты 
резонансных 
устройств 
(рис. 
6), 

периодических сред, сред с потерями, объектов со сложной формой 

поверхности, невзаимных устройств (рис. 6) и т.д.  

 

Рисунок 6. Модель волноводного циркулятора 

 

 Eigenmode Solver основан на двух методах: 1. Расширенного метода 

подпространств Крылова (ASK), позволяющий наиболее быстро находить 

собственные моды резонансных экранированных структур без потерь; 2. 

Метод Якоби-Девидсона (JDM), позволяющий находить собственные моды