Solver für elektromagnetische Simulation
CST Studio Suite Simulations-Solver für elektromagnetische Systeme und Geräte
Ein leistungsstarkes Portfolio an Solvern für elektromagnetische Felder
Die CST Studio Suite® bietet Kunden Zugriff auf mehrere Solver für elektromagnetische Simulationen (EM). Die Palette umfasst Methoden wie die Finite-Elemente-Methode (FEM), die Finite-Integrationstechnik (FIT) und die Transmission-Line-Matrix-Methode (TLM). Die genannten drei Methoden stellen die leistungsstärksten Allzweck-Solver für elektromagnetische Simulationsaufgaben dar. CST Studio Suite bietet Lösungsmethoden im Zeitbereich und Frequenzbereich. Der Anwendbarkeitsbereich der CST Studio Suite-Lösung reicht von statischen bis zu optischen Frequenzen.
Elektromagnetische Solver nach Frequenzbereich und Anwendung
Solver für die elektromagnetische Simulation im Hochfrequenzbereich
Mit den FIT-, FEM- und TLM-Methoden bietet CST Studio Suite Solver, die sich ideal für Hochfrequenzsimulationen eignen. FIT und TLM als klassische Zeitbereichsmethoden spielen ihre Vorteile insbesondere bei Breitband-, Antennen- und komplexen Anwendungen mit vielen Details aus. Mit diesen Solvern lässt sich auch die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) von Geräten sowie die Signal- und Leistungsintegrität analysieren. Zusätzliche Solver für spezielle Hochfrequenzanwendungen, wie elektrisch große oder stark resonante Strukturen, ergänzen die allgemeinen Solver.
Solver für die elektromagnetische Simulation im Niederfrequenzbereich
CST Studio Suite umfasst FEM-Solver, die für statische und niederfrequente Anwendungen wie elektromechanische Geräte, Motoren, Generatoren, Transformatoren oder Sensoren vorgesehen sind. Die Opera Technologie ergänzt diesen Solver-Satz für eine umfassende und hochgenaue Lösung.
Solver für die Dynamik geladener Teilchen
Die Simulation von Teilchen in elektromagnetischen Feldern stellt eine besondere Stärke der CST Studio Suite dar. Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen, von Elektronenkanonen bis hin zu Mikrowellenröhren, von Magnetron-Sputtern bis hin zu Teilchenbeschleunigerkomponenten. Wir können geeignete Solver für die effiziente Simulation von teilchenbasierten Geräten liefern.
Multiphysik mit CST Studio Suite
Elektromagnetische Felder wirken sich auf andere physikalische Effekte aus. Die Materialverluste führen zu Temperaturanstiegen. Die erhöhte Temperatur kann Verformungen an den Komponenten hervorrufen, die ihre Leistung beeinträchtigen. CST Studio Suite bietet eine Multiphysik-Simulation zur Analyse dieser Effekte. Das Spektrum der Anwendungen umfasst die Kühlung der Elektronik sowie die Berücksichtigung von Biowärme bei medizinischen Geräten. Die 3DEXPERIENCE Plattform bietet eine noch weit größere Auswahl an Multiphysikanwendungen.
Elektromagnetische Analyse mit dem besten Solver für Ihre Anwendung
Die nahtlose Integration der Solver in eine Benutzeroberfläche in CST Studio Suite ermöglicht die einfache Auswahl der am besten geeigneten Simulationsmethode für eine bestimmte Problemklasse. Die Auswahl zwischen verschiedenen Simulationsansätzen ermöglicht die Kreuzvalidierung und sorgt so für eine verbesserte Simulationsleistung und beispiellose Simulationszuverlässigkeit.
- Hochfrequenz-Solver
- Niederfrequenz-Solver
- Multiphysik-Solver
- Teilchen-Solver
- EMV- und EDA-Solver
Zeitbereich-Solver
Der Zeitbereich-Solver ist ein leistungsstarker und vielseitiger transienter 3D-Vollwellen-Allzweck-Solver, der sowohl Implementierungen für die Finite-Integrationstechnik (FIT) als auch für die Transmission-Line-Matrix (TLM) in einem einzigen Paket umfasst. Er kann Breitbandsimulationen in einem einzigen Lauf durchführen. Durch die Unterstützung für Hardwarebeschleunigung und MPI-Cluster-Computing ist der Solver auch für extrem große, komplexe und detailreiche Simulationen geeignet.
Anwendungsbereiche für Zeitbereich-Solver:
- Allgemeine Hochfrequenzanwendungen mit mittelgroßen bis großen Modellen
- Transiente Effekte
- 3D-Elektronik
Frequenzbereich-Solver
Der Frequenzbereich-Solver ist ein leistungsstarker 3D-Vollwellen-Allzweck-Solver, der auf der Finite-Elemente-Methode (FEM) basiert und eine ausgezeichnete Simulationsleistung für viele Komponententypen bietet. Da der Frequenzbereich-Solver alle Ports gleichzeitig berechnen kann, ist er auch eine sehr effiziente Möglichkeit, Mehrportsysteme wie Verbindungsglieder und Arrays zu simulieren. Der Frequenzbereich-Solver enthält eine MOR-Funktion (Modellordnungsreduktion), die die Simulation von Resonanzstrukturen wie Filtern beschleunigen kann.
Anwendungsbereiche des Frequenzbereich-Solvers:
- Allgemeine Hochfrequenzanwendungen mit kleinen bis mittleren Modellen
- Resonanzstrukturen
- Multi-Port-Systeme
- 3D-Elektronik
Asymptotischer Solver
Der Asymptotic Solver ist ein Ray-Tracing-Solver, der für extrem große Strukturen geeignet ist, bei denen ein Vollwellen-Solver unnötig ist. Der Asymptotic Solver basiert auf der SBR-Methode (Shooting Bouncing Ray). SBR ist eine Erweiterung der physischen Optik und kann Simulationen mit einer elektrischen Größe von vielen Tausenden von Wellenlängen bewältigen.
Anwendungen des Asymptotic Solver:
- Elektrisch sehr große Strukturen
- Installierte Leistung von Antennen
- Streuungsanalyse
Eigenmode Solver
Der Eigenmode Solver ist ein 3D-Solver zur Simulation von Resonanzstrukturen, der die Advanced Krylov Subspace-Methode (AKS) und die Jacobi-Davidson-Methode (JDM) umfasst. Der Eigenmode Solver wird häufig in stark resonanten Filterstrukturen, Hohlräumen von High-Q-Teilchenbeschleunigern und langsamen Wellenstrukturen wie beispielsweise bei Wanderfeldröhren eingesetzt. Der Eigenmode Solver unterstützt die Empfindlichkeitsanalyse und ermöglicht die direkte Berechnung des Verstimmungseffekts der Strukturverformung.
Anwendungen des Eigenmode Solver:
- Filter
- Hohlräume
- Metallmaterialien und periodische Strukturen
Filter Designer 3D
Filter Designer 3D ist ein Synthesetool zur Entwicklung von Bandpass- und Diplexerfiltern, das eine Reihe von Kopplungsmatrix-Topologien für Anwendungen in arbiträrer gekoppelter, resonatorbasierter Technologie erzeugt. Darüber hinaus bietet es eine Auswahl an Bausteinen, um 3D-Filter durch Baugruppenmodellierung zu realisieren. In der Komponentenbibliothek kann der Anwender zwischen Combline-/interdigital koaxialen Hohlräumen und rechteckigen Wellenleitern wählen. Alternativ kann der Anwender benutzerdefinierte Bausteine jeder Art von Einzelmodus-Technologie (z. B. SIW oder nichtleitende Pucks) definieren.
Die bereitgestellte Funktion umfasst die Extraktion der Kopplungsmatrix. Sie kann direkt als Ziel für die Optimierung eines Simulationsmodells oder zur Unterstützung bei der Abstimmung komplexer Hardware durch Echtzeitmessungen mit einem Netzwerkanalysator verwendet werden.
Anwendungsbereiche für Filter Designer 3D:
- Kreuzgekuppelte Filter für verschiedene elektromagnetische Technologien (z. B. Hohlräume, Mikrostreifen, Dielektrika)
- Unterstützende Abstimmung für Filterhardware (mit Vektor-Netzwerkanalysator-Verknüpfung)
Integral Equation Solver
Der Integral Equation Solver ist ein 3D-Vollwellen-Solver, der auf der Momentenmethode (MoM) mit der schnellen mehrstufigen Multipolmethode (MLFMM) basiert. Der Integral Equation Solver verwendet eine Oberflächenintegrationstechnik, die ihn bei der Simulation großer Modelle mit viel Leerraum wesentlich effizienter macht als Vollvolumenmethoden. Der Integral Equation Solver enthält eine Charakteristikmodusanalyse (CMA), die die von einer Struktur unterstützten Modi berechnet.
Anwendungsbereiche des Integral Equation Solver:
- Hochfrequenzanwendungen mit elektrisch großen Modellen
- Installierte Leistung
- Charakteristikmodusanalyse
Multilayer Solver
Der Multilayer Solver ist ein 3D-Vollwellen-Solver, der auf der Momentenmethode (MoM) basiert. Der Multilayer Solver verwendet eine Oberflächenintegrationstechnik und ist für die Simulation planarer Mikrowellenstrukturen optimiert. Der Multilayer Solver enthält eine Funktion zur Charakteristikmodusanalyse (CMA), mit der die von einer Struktur unterstützten Modi berechnet werden.
Anwendungsbereiche des Multilayer Solver:
- MMIC
- Einspeisungsnetzwerke
- Planarantennen
Hybrid Solver Task
Mit der Hybrid Solver Task können der Zeitbereich, der Frequenzbereich, die Integralgleichung und Asymptotic Solver für die Hybrid-Simulation verknüpft werden. Bei Simulationsprojekten, die sehr große Frequenzbänder oder elektrisch große Strukturen mit sehr feinen Details umfassen, können Berechnungen durch die Verwendung verschiedener Solver an verschiedenen Teilen viel effizienter durchgeführt werden. Simulierte Felder werden über Feldquellen zwischen Solvern übertragen, wobei eine bidirektionale Verbindung zwischen den Solvern für eine genauere Simulation besteht.
Anwendungsbereiche von Hybrid Solver Task:
- Kleine Antennen für sehr große Strukturen
- EMV-Simulation
- Simulation des menschlichen Körpers in komplexen Umgebungen
Electrostatic Solver
Der Electrostatic Solver ist ein 3D-Solver zur Simulation von statischen elektrischen Feldern. Dieser Solver ist besonders geeignet für Anwendungen wie Sensoren, bei denen elektrische Ladung oder Kapazität wichtig ist. Aufgrund seiner Schnelligkeit ist der Solver auch für die Optimierung von Anwendungen wie Elektroden und Isolatoren sehr nützlich.
Anwendungsbereiche des Electrostatic Solver:
- Sensoren und Touchscreens
- Antriebsaggregate
- Geladene-Teilchen-Geräte und Röntgenröhren
Magnetostatic Solver
Der Magnetostatic Solver ist ein 3D-Solver zur Simulation statischer Magnetfelder. Dieser Solver ist am nützlichsten für die Simulation von Magneten, Sensoren und zur Simulation elektrischer Maschinen wie Motoren und Generatoren in Fällen, in denen transiente Effekte und Wirbelströme nicht kritisch sind.
Anwendungsbereiche des Magnetostatic Solver:
- Sensoren
- Elektrische Maschinen
- Magnete zur Teilchenstrahlfokussierung
Low Frequency – Frequency Domain Solver
Der Low-Frequency Frequency Domain (LF-FD) Solver ist ein 3D-Solver für die Simulation des zeitharmonischen Verhaltens in Niederfrequenzsystemen und umfasst magnetoquasistatische (MQS), elektroquasistatische (EQS) sowie Vollwellenimplementierungen. Dieser Solver ist am nützlichsten für Simulationen, die Frequenzbereichseffekte umfassen und bei denen die Quellen Spulen sind.
Anwendungsbereiche des Niederfrequenz-Frequenzbereich-Solvers:
- Sensoren und zerstörungsfreie Prüfungen (ZfP)
- RFID und drahtlose Stromübertragung
- Stromtechnik – Sammelschienensysteme
Niederfrequenz – Zeitbereich-Solver
Der Low-Frequency Time Domain (LF-FD) Solver ist ein 3D-Solver zur Simulation des transienten Verhaltens in Niederfrequenzsystemen und umfasst sowohl magnetoquasistatische (MQS) wie auch elektroquasistatische (EQS) Implementierungen. Der MQS Solver eignet sich für Probleme mit Wirbelströmen, nicht-linearen Effekten und transienten Effekten wie Bewegung oder Einschaltstrom. Der EQS Solver ist für resistiv-kapazitive Probleme und HV-DC-Anwendungen geeignet.
Anwendungsbereiche des Niederfrequenz-Zeitbereich-Solvers:
- Elektrische Maschinen und Transformatoren
- Elektromechanik – Motoren, Generatoren
- Stromtechnik – Isolierung, Sammelschienensysteme, Schaltgeräte
Stationary Current Solver
Der Stationary Current Field Solver ist ein 3D-Solver zur Simulation des Gleichstromflusses durch ein Gerät, insbesondere bei verlustbehafteten Komponenten. Dieser Solver kann verwendet werden, um die elektrischen Eigenschaften einer Komponente zu charakterisieren, die Gleichstrom verwendet, oder in der Wirbelströme und transiente Effekte irrelevant sind.
Anwendungsbereiche des Stationary Current Solver:
- Hochleistungsgeräte
- Elektrische Maschinen
- Leiterplatten-Stromverteilungsnetze
Conjugate Heat Transfer Solver
Der Conjugate Heat Transfer (CHT) Solver verwendet die CFD-Technik, um den Flüssigkeitsfluss und die Temperaturverteilung in einem System vorherzusagen. Der CHT Solver umfasst die thermischen Auswirkungen aus allen Wärmeübertragungsmodi – Leitung, Konvektion und Strahlung – und kann Wärmequellen aus elektromagnetischen Verlusten ebenso umfassen wie die stationären und transienten thermischen Solver. Geräte wie Lüfter, Filterrohre und thermische Schnittstellenmaterialien können direkt modelliert werden. Kompakte thermische Modelle (CTM), wie z. B. das CTM mit zwei Widerständen, können ebenfalls berücksichtigt werden.
Anwendungsbereiche des Solvers für konjugierte Wärmeübertragung:
- Elektronikkühlung: Natürliche und erzwungene Konvektion von Hochleistungs-Elektronikkomponenten und -geräten, wie
- Leiterplatten
- Filter
- Antennen
- Gehäusen
- mit eingebauten Kühlgeräten wie
- Lüfter
- Kühlkörper …
Thermal Transient Solver
Der Thermal Transient Solver kann die zeitabhängige Temperaturreaktion eines Systems vorhersagen. Zu den Wärmequellen können Verluste gehören, die durch elektrische und magnetische Felder, Ströme, Teilchenkollisionen, menschliche Biowärme und andere benutzerdefinierte Quellen entstehen. Der Thermal Transient Solver ist eng mit unseren elektromagnetischen Solvern verbunden und ermöglicht die transiente Temperaturvorhersage von Geräten und die daraus resultierenden Auswirkungen auf ihre elektromagnetische Leistung.
Anwendungsbereiche des Thermal Transient Solver:
- Hochleistungs-Elektronikkomponenten und -geräte wie Leiterplatten, Filter, Antennen …
- Medizinische Geräte und menschliche Biowärme
Thermal Steady State Solver
Der Thermal Steady State Solver kann die Temperaturverteilung eines stationären Systems vorhersagen. Zu den Wärmequellen können Verluste gehören, die durch elektrische und magnetische Felder, Ströme, Teilchenkollisionen, menschliche Biowärme und andere benutzerdefinierte Quellen entstehen. Der Thermal Steady State Solver ist nahtlos mit unseren elektromagnetischen Solvern verbunden und ermöglicht die Temperaturvorhersage von Geräten und die daraus resultierenden Auswirkungen auf ihre elektromagnetische Leistung.
Anwendungsbereiche des Thermal Steady State Solver:
- Hochleistungs-Elektronikkomponenten und -geräte wie Leiterplatten, Filter, Antennen usw.
- Medizinische Geräte und menschliche Biowärme
Mechanical Solver
Der Mechanical Solver kann die mechanische Spannung von Strukturen und Verformungen vorhersagen, die durch elektromagnetische Kräfte und thermische Ausdehnung verursacht werden. Er wird zusammen mit den EM- und Thermo-Solvern verwendet, um die möglichen Auswirkungen der Kraft und Erwärmung auf das Gerät zu beurteilen.
Anwendungsbereiche des Mechanical Solver:
- Filterverstimmung
- Leiterplatten-Verformung
- Lorentz-Kräfte bei Teilchenbeschleunigern
Particle-in-Cell Solver
Der Particle-in-Cell (PIC) Solver ist eine vielseitige, selbständige Simulationsmethode für die Teilchenverfolgung. Er berechnet sowohl Teilchenbahnen als auch elektromagnetische Felder im Zeitbereich unter Berücksichtigung der Auswirkungen der Raumladung und der gegenseitigen Kopplung zwischen Teilchen und Feldern. Der PIC Solver kann eine Vielzahl von Geräten simulieren, bei denen die Interaktion zwischen Teilchen und Hochfrequenzfeldern wichtig ist. Ein weiterer Anwendungsbereich sind Hochleistungsgeräte, bei denen der Elektronen-Multipaktoreffekt ein Risiko darstellt.
Einsatzgebiete des Particle-In-Cell Solver:
- Beschleunigerkomponenten
- Geräte mit langsamer Welle
- Multipaktor
Electrostatic Particle-In-Cell Solver
Die Electrostatic Particle-In-Cell (Es-PIC) Solver-Technologie berechnet die Dynamik der Raumladung in einem transienten Ansatz und erfasst das bei einer Tracking-Analyse vernachlässigte Zeitbereichsverhalten Es-PIC berechnet die Raumladung in Abhängigkeit von der Zeit und berücksichtigt dabei nur die elektrostatischen Effekte. Im Vergleich zu einem reinen PIC-Ansatz (Particle-in-Cell) gibt es keine Strom- und H-Feld-Induktion, aber er ist sehr gut für Strukturen mit großen Zeitskalen geeignet.
Anwendungsbereiche des Electrostatic Particle-In-Cell Solver:
- Plasma-Ionenquelle
- Elektronenkanone mit Ionisierung
- Niederdruck-Durchschlagsanalyse
Particle Tracking Solver
Der Particle Tracking Solver ist ein 3D-Solver zur Simulation von Teilchenbahnen durch elektromagnetische Felder. Er kann die Auswirkung der Raumladung auf das elektrische Feld durch die Option Kanoneniteration berücksichtigen. Es können mehrere Emissionsmodelle simuliert werden, darunter feste, begrenzte Raumladung, thermionische und Feldemissionen und sekundäre Elektronenemissionen.
Anwendungsbereiche des Particle Tracking Solver:
- Teilchenquellen
- Magnete für Fokussierung und Strahllenkung
- Beschleunigerkomponenten
Wakefield Solver
Der Wakefield Solver berechnet die Felder um einen Teilchenstrahl, dargestellt durch einen Linienstrom, und die Kielfelder, die durch Interaktionen mit Diskontinuitäten in der umgebenden Struktur erzeugt werden.
Anwendungsbereiche des Wakefield Solver:
- Hohlräume
- Kollimatoren
- Strahlpositionsmonitore
Leiterplatten-Solver
Das Modul „PCBs and Packages“ von CST Studio Suite ist ein Werkzeug für die Analyse der Signalintegrität (SI), der Leistungsintegrität (PI) und der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) auf Leiterplatten. Es integriert sich in den EDA-Konstruktionsablauf und stellt leistungsstarke Importfilter für gängige Layout-Tools von Cadence, Zuken und Altium bereit. Effekte wie Resonanzen, Reflexionen, Übersprechen, Power/Ground Bounce und Simultaneous Switching Noise (SSN) können in jeder Phase der Produktentwicklung simuliert werden, von der Vorlayout- bis zur Nachlayout-Phase.
CST Studio Suite umfasst drei verschiedene Solver-Typen:
- Methode 2D Transmission Line
- Methode 3D Partial Element Equivalent Circuit (PEEC)
- Methode 3D Finite-Element Frequency-Domain (FEFD)
sowie vordefinierte Arbeitsabläufe für Spannungsabfall-, PI- und SI-Analyse.
Rule Check
Rule Check ist ein EMV-, SI- und PI-Tool zur (Design Rule Checking, DRC)Prüfung von Konstruktionsregeln, das beliebte Platinendateien aus Cadence, Mentor Graphics und Zuken sowie ODB++ (z. B. Altium) liest. Es prüft die Leiterplattenkonstruktion anhand einer Reihe von EMV- oder SI-Konstruktionsregeln. Der von Rule Check verwendete Kernel ist das bekannte Softwaretool EMSAT.
Der Anwender kann verschiedene Netze und Komponenten bestimmen, die für EMV wichtig sind, wie E/A-Netze, Strom-/Erdungsnetze und Entkopplungskondensatoren. Rule Check prüft wiederum jedes kritische Netz, um sicherzustellen, dass es keine der ausgewählten EMV- oder SI-Konstruktionsregeln verletzt. Nach Abschluss der Regelprüfung werden die EMV-Regelverletzungen grafisch oder als HTML-Dokument angezeigt.
Anwendungsbereiche für Rule Check:
- Prüfung der Leiterplatten-Konstruktionsregeln zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV)
- Prüfung der Leiterplatten-Konstruktionsregeln für Signalintegrität und Leistungsintegrität (SI/PI)
Cable Harness Solver
Der Cable Harness Solver analysiert die Signalintegrität (SI), die leitungsgeführte Störaussendung (CE), die Strahlungsemission (RE) und die elektromagnetische Störanfälligkeit (EMS) komplexer Kabelstrukturen in elektrisch großen Systemen in drei Dimensionen. Es umfasst eine schnelle und genaue Übertragungsleitungs-Modelliermethode für Kabelstrangkonfigurationen in metallischen oder dielektrischen 3D-Umgebungen. Die Hybrid-Simulation mit dem Cable Harness Solver und anderen Hochfrequenz-Solvern ermöglicht eine effiziente Simulation von Strukturen mit komplexen Kabelbäumen in 3D.
Anwendungsbereiche für den Cable Harness Solver:
- Allgemeine SI- und EMV-Simulation von Kabeln
- Aufbau des Kabelbaums in Fahrzeugen und Flugzeugen
- Hybridkabel in der Unterhaltungselektronik
Häufig gestellte Fragen zu EM-Solvern
Ganzwellen-EM-Simulatoren lösen Maxwell-Gleichungen ohne Näherungen basierend auf der besonderen physikalischen Natur eines Problems. Sie bieten in der Regel Lösungen für hochfrequente elektromagnetische Anwendungen wie Antennen oder Komponenten. SIMULIA CST Studio Suite umfasst EM-Simulatoren für Zeitbereich- und Frequenzbereichanwendungen.
Ein elektromagnetischer Solver ist eine Implementierung einer numerischen Methode, mit der Maxwell-Gleichungen gelöst werden. Er muss alle relevanten physikalischen Eigenschaften abdecken und die Materialeigenschaften und geometrischen Strukturen des analysierten Systems berücksichtigen.
Die beste Software für die elektromagnetische Simulation ist diejenige, die Ihre Aufgaben präzise und schnell erledigt. Eine grundlegende Voraussetzung, um diese Herausforderung in einem Softwarepaket zu meistern, ist die Verfügbarkeit einer Reihe von numerischen Simulationsmethoden innerhalb dieser Software, da eine Simulationsmethode nicht alle Simulationsherausforderungen lösen kann. Das elektromagnetische Simulationsportfolio von SIMULIA bietet eine große Auswahl an EM-Simulatoren für Frequenzbereiche von Gleichstrom bis Licht.
Elektromagnetische oder EM-Simulation beschreibt Ansätze zur Lösung der Maxwell-Gleichungen im Raum und in der Zeit. Methoden, die auf der Volumendiskretisierung basieren, sind beispielsweise die Finite-Elemente-Methode (FEM), die Finite-Integrationstechnik (FIT), die FDTD-Methode (Finite Difference Time Domain) und die Transmission-Line-Matrix-Methode (TLM). Diese Methoden sind sehr allgemein und können zur Simulation aller Problemklassen verwendet werden. Es gibt jedoch Methoden, die für bestimmte Arten der elektromagnetischen Analyse wesentlich effizienter sind, wie Momentenmethode (MoM), Randelementmethode (BEM), Modus-Matching, physikalische Optik usw.
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