Solvers de simulación electromagnética
Soluciones de simulación CST Studio Suite para sistemas y dispositivos electromagnéticos
Un potente portfolio de solvers de campos electromagnéticos
CST Studio Suite® ofrece a los clientes acceso a múltiples solvers de simulación electromagnética (EM). La gama incluye soluciones como el método de elementos finitos (FEM), la técnica de integración finita (FIT)y el método de la matriz de la línea de transmisión (TLM). Los tres métodos mencionados representan los solvers de propósito general más potentes para tareas de simulación electromagnética. CST Studio Suite ofrece métodos de solución en el dominio del tiempo y en el dominio de la frecuencia. El ámbito de aplicación de la solución CST Studio Suite abarca desde la estática hasta las frecuencias ópticas.
Solvers electromagnéticos por gama de frecuencias y aplicación
Productos de simulación electromagnética de alta frecuencia
Con los métodos FIT, FEM y TLM, CST Studio Suite proporciona solvers idóneos para simulaciones de alta frecuencia. FIT y TLM como métodos clásicos del dominio del tiempo pueden desempeñar sus ventajas para aplicaciones de banda ancha, de antena y complejas y ricas en detalles. Estos solvers también pueden analizar la compatibilidad electromagnética (CEM) de los dispositivos y la integridad de la señal y la potencia. Los solvers de uso general se complementan con solvers adicionales para aplicaciones especializadas de alta frecuencia, como estructuras eléctricamente grandes o muy resonantes.
Solvers de simulación electromagnética de baja frecuencia
CST Studio Suite incluye solvers FEM dedicados a aplicaciones estáticas y de baja frecuencia, como dispositivos electromecánicos, motores, generadores, transformadores y sensores. La tecnología Opera complementa este conjunto de solvers para ofrecer una solución completa y de gran precisión.
Solvers para la dinámica de partículas cargadas
La simulación de partículas en campos electromagnéticos es uno de los puntos fuertes de CST Studio Suite. Existe una amplia gama de aplicaciones, desde cañones de electrones a tubos de microondas, desde pulverización catódica con magnetrón a componentes de aceleradores de partículas. Podemos ofrecer solvers adecuados para la simulación eficaz de dispositivos basados en partículas.
Multifísica con CST Studio Suite
La presencia de campos electromagnéticos provoca efectos de otras físicas. Las pérdidas en los materiales provocan aumentos de temperatura. El aumento de la temperatura puede provocar deformaciones en los componentes que comprometan su rendimiento. CST Studio Suite ofrece simulación multifísica para analizar estos efectos. La gama de aplicaciones incluye la refrigeración de componentes electrónicos, así como la consideración del biocalor para dispositivos médicos. La plataforma 3DEXPERIENCE permite una gama mucho más amplia de aplicaciones multifísicas.
Análisis electromagnético con el mejor solver para su aplicación
La perfecta integración de los solvers en una interfaz de usuario en CST Studio Suite permite seleccionar fácilmente el método de simulación más adecuado para una clase de problema determinada. La posibilidad de elegir entre distintos enfoques de simulación permite mejorar el rendimiento de la simulación y obtener una fiabilidad sin precedentes gracias a la verificación cruzada.
- Solvers de alta frecuencia
- Solvers de baja frecuencia
- Solvers multifísicos
- Solvers de partículas
- Solvers de compatibilidad electromagnéticay de automatización de diseño electrónico
Solver de dominio de tiempo
El solver de dominio de tiempo es un potente y versátil solver de ondas completas transitorias en 3D, con técnica de integración finita (FIT) e implementaciones de matrices de líneas de transmisión (TLM) incluidas en un único paquete. El solver de dominio de tiempo puede realizar simulaciones de banda ancha en una sola ejecución. Las funciones de aceleración por hardware y la computación en clúster MPI también hacen que el solver sea adecuado para simulaciones extremadamente grandes, complejas y ricas en detalles.
Aplicaciones del solver de dominio de tiempo:
- Aplicaciones generales de alta frecuencia con modelos medianos y grandes
- Efectos transitorios
- Electrónica 3D
Solver de dominio de frecuencia
El solver de dominio de frecuencia es un potente solver de onda completa 3D multiuso, basado en el método de los elementos finitos (MEF), que ofrece un excelente rendimiento de simulación para muchos tipos de componentes. Puesto que el solver de dominio de frecuencia puede calcular todos los puertos al mismo tiempo, también es una forma muy eficaz de simular sistemas multipuerto, como conectores y matrices. El solver de dominio de frecuencia incluye una función de reducción del orden del modelo (MOR) que puede acelerar la simulación de estructuras resonantes como los filtros.
Aplicaciones del solver de dominio de frecuencia:
- Aplicaciones generales de alta frecuencia con modelos de tamaño pequeño o mediano
- Estructuras resonantes
- Sistemas multipuerto
- Electrónica 3D
Solver asintótico
El solver asintótico es un solver de trazado de rayos que resulta eficaz para estructuras extremadamente grandes en las que no es necesario un solver de onda completa. El solver asintótico se basa en el método Rayo de rebote disparado (SBR). El SBR es una extensión de la óptica física capaz de abordar simulaciones con un tamaño eléctrico de muchos miles de longitudes de onda.
Aplicaciones del solver asintótico:
- Estructuras eléctricamente muy grandes
- Rendimiento instalado de las antenas
- Análisis de dispersión
Solver de modo propio
El solver de modo propio es un solver 3D para simular estructuras resonantes que incorpora el método del subespacio Krylov avanzado (AKS)y el método Jacobi-Davidson (JDM). Las aplicaciones más comunes del solver de modo propio son las estructuras de filtros de alta resonancia, las cavidades de aceleradores de partículas de alta Q y las estructuras de ondas lentas, como los tubos de ondas viajeras. El solver de modo propio admite el análisis de sensibilidad, lo que permite calcular directamente el efecto de desintonización de la deformación estructural.
Aplicaciones del solver de modo propio:
- Filtros
- Cavidades
- Metamateriales y estructuras periódicas
Filter Designer 3D
Herramienta de síntesis para el diseño de filtros paso banda y diplexores que produce una gama de topologías de matrices de acoplamiento para la aplicación en tecnología basada en resonadores acoplados arbitrarios. También ofrece una selección de bloques de construcción para realizar filtros 3D mediante el modelado de ensamblajes. En la biblioteca de componentes, el usuario puede elegir entre cavidades coaxiales combline/interdigitales y guías de ondas rectangulares. Como alternativa, el usuario puede definir bloques de construcción personalizados de cualquier tipo de tecnología monomodo (por ejemplo, SIW o pucks dieléctricos).
La funcionalidad proporcionada incluye la extracción de la matriz de acoplamiento. Puede utilizarse directamente como objetivo para la optimización de un modelo de simulación o como ayuda para el ajuste de hardware complejo mediante mediciones en tiempo real con un analizador de redes.
Aplicaciones de Filter Designer3D:
- Filtros de acoplamiento cruzado para diferentes tecnologías electromagnéticas (por ejemplo, cavidades, microbandas, dieléctricos)
- Ajuste asistido del hardware del filtro (con enlace al analizador vectorial de redes)
Solver de ecuación integral
El solver de ecuación integral es un solver 3D de onda completa, basado en la técnica del método de momentos (MOM) con el método multinivel de multipolos rápidos (MLFMM). El solver de ecuación integral utiliza una técnica integral de superficie, lo que lo hace mucho más eficaz que los métodos de volumen completo cuando se simulan modelos grandes con mucho espacio vacío. El solver de ecuación integral incluye una función de análisis modal característico (CMA) que calcula los modos soportados por una estructura.
Aplicaciones del solver de ecuación integral:
- Aplicaciones de alta frecuencia con modelos eléctricamente grandes
- Rendimiento instalado
- Análisis del modo característico
Solver multicapa
El solver multicapa es un solver 3D de onda completa, basado en la técnica del método de momentos (MOM). Este solver multicapa utiliza una técnica integral de superficie y está optimizado para simular estructuras planas de microondas. El solver multicapa incluye una función de análisis modal característico (CMA) que calcula los modos soportados por una estructura.
Aplicaciones del solver multicapa:
- MMIC (Circuito integrado monolítico de microondas)
- Redes de alimentación
- Antenas planas
Tarea de solver híbrido
La tarea de solver híbrido permite enlazar los solvers de dominio temporal, dominio de frecuencia, ecuaciones integrales y asintóticos para la simulación híbrida. En los proyectos de simulación de bandas de frecuencias muy anchas o de grandes estructuras eléctricas con detalles muy precisos, los cálculos pueden ser mucho más eficaces si se utilizan distintos solvers en distintas partes. Los campos simulados se transfieren entre los solvers a través de fuentes de campo, con un enlace bidireccional entre los solvers para una simulación más precisa.
Aplicaciones de la tarea de solver híbrido:
- Antenas pequeñas en estructuras muy grandes
- Simulación de compatibilidad electromagnética (EMC)
- Simulación del cuerpo humano en entornos complejos
Solver electrostático
El solver electrostático es un solver 3D para simular campos eléctricos estáticos. Este solver es especialmente adecuado para aplicaciones como sensores en los que la carga eléctrica o la capacitancia son importantes. La velocidad del solver también lo hace muy útil para optimizar aplicaciones como electrodos y aislantes.
Aplicaciones del solver electrostático:
- Sensores y pantallas táctiles
- Equipo eléctrico
- Dispositivos de partículas cargadas y tubos de rayos X
Solver magnetostático
El solver magnetostático es un solver 3D para simular campos magnéticos estáticos. Este solver es muy útil para simular imanes, sensores y para simular máquinas eléctricas como motores y generadores en aquellos casos en los que los efectos transitorios y las corrientes de Foucault no son críticos.
Aplicaciones del solver magnetostático:
- Sensores
- Máquinas eléctricas
- Imanes de enfoque de haces de partículas
Solver de baja frecuencia - dominio de frecuencia
El solver de baja frecuencia - dominio de frecuencia (LF-FD) es un solver 3D para simular el comportamiento armónico temporal en sistemas de baja frecuencia, e incluye implementaciones magneto-cuasistáticas (MQS), electro-cuasistáticas (EQS) y de onda completa . Este solver es muy útil para simulaciones que implican efectos en el dominio de la frecuencia y en las que las fuentes son bobinas.
Aplicaciones del solver de baja frecuencia - dominio de frecuencia:
- Sensores y ensayos no destructivos (END)
- RFID y transferencia inalámbrica de energía
- Ingeniería eléctrica: sistemas de barras colectoras
Solver de baja frecuencia - dominio de tiempo
El solver de baja frecuencia - dominio de tiempo (LF-FD) es un solver 3D para simular el comportamiento transitorio en sistemas de baja frecuencia, e incluye implementaciones magneto-cuasistáticas (MQS) y electro-cuasistáticas (EQS). El solver MQS es adecuado para problemas en los que intervienen corrientes de Foucault, efectos no lineales y efectos transitorios como el movimiento o la corriente de entrada. El solver EQS es adecuado para problemas resistivos-capacitivos y aplicaciones HV-DC.
Aplicaciones del solver de baja frecuencia - dominio de tiempo:
- Máquinas eléctricas y transformadores
- Electromecánica: motores, generadores
- Ingeniería eléctrica: aislamiento, sistemas de barras colectoras, conmutadores
Solver de corriente estacionaria
El solver de flujo de corriente estacionaria es un solver 3D para simular el flujo de corrientes continuas a través de un dispositivo, especialmente con componentes con pérdidas. Este solver puede utilizarse para caracterizar las propiedades eléctricas de un componente que sea de corriente continua o en el que las corrientes de Foucault y los efectos transitorios sean irrelevantes.
Aplicaciones del solver de corriente estacionaria:
- Equipos de alta potencia
- Máquinas eléctricas
- Red de distribución de energía PCB
Solver de transferencia de calor conjugada
El solver de transferencia de calor conjugada (CHT) utiliza la técnica de dinámica de fluidos computacional (CFD) para predecir el flujo de fluidos y la distribución de la temperatura en un sistema. El solver CHT incluye los efectos térmicos de todos los modos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación, y puede incluir fuentes de calor procedentes de pérdidas electromagnéticas, al igual que los solvers térmicos de estado estacionario y transitorio. Pueden modelarse directamente dispositivos como ventiladores, pantallas perforadas y materiales de interfaz térmica. También pueden considerarse los modelos térmicos compactos (CTM), como el CTM de dos resistencias.
Aplicaciones del solver de transferencia de calor conjugada:
- Refrigeración electrónica: convección natural y forzada de componentes y dispositivos electrónicos de alta potencia, como
- PCB
- filtros
- antenas
- chasis
- con dispositivos de refrigeración instalados, como
- ventiladores
- disipadores...
Solver de transitorios térmicos
El solver de transitorios térmicos puede predecir la respuesta de temperatura variable en el tiempo de un sistema. Las fuentes de calor pueden incluir pérdidas generadas por campos eléctricos y magnéticos, corrientes, colisiones de partículas, calor biológico humano y otras fuentes definidas por el usuario. Estrechamente vinculado a nuestros solvers electromagnéticos, el solver de transitorios térmicos permite predecir la temperatura transitoria de los dispositivos y el impacto resultante en su rendimiento electromagnético.
Aplicaciones del solver de transitorios térmicos:
- Componentes y dispositivos electrónicos de alta potencia, como placas de circuito impreso (PCB), filtros, antenas...
- Productos sanitarios y generación de calor biológico
Solver de estado térmico estable
El solver de estado térmico estable puede predecir la distribución de temperatura de un sistema en estado estable. Las fuentes de calor pueden incluir pérdidas generadas por campos eléctricos y magnéticos, corrientes, colisiones de partículas, calor biológico humano y otras fuentes definidas por el usuario. Directamente vinculado a nuestros solvers electromagnéticos, el solver de estado térmico estable permite predecir la temperatura de los dispositivos y el impacto resultante en su rendimiento electromagnético.
Aplicaciones del solver de estado térmico estable:
- Componentes y dispositivos electrónicos de alta potencia, como placas de circuito impreso (PCB), filtros, antenas, etc.
- Productos sanitarios y generación de calor biológico
Solver mecánico
El solver mecánico puede predecir la tensión mecánica de las estructuras y la deformación causada por las fuerzas electromagnéticas y la expansión térmica. Se utiliza con los solvers electromagnéticos y térmicos para evaluar el posible impacto de la fuerza y el calentamiento en el rendimiento del dispositivo.
Aplicaciones del solver mecánico:
- Desintonización del filtro
- Deformación del circuito impreso
- Fuerzas de Lorentz en los aceleradores de partículas
Solver de partículas en celda
El solver de partículas en celda (PIC) es un método de simulación versátil y autoconsistente para el seguimiento de partículas. Calcula tanto las trayectorias de las partículas como los campos electromagnéticos en el dominio del tiempo, teniendo en cuenta los efectos de carga espacial y el acoplamiento mutuo entre partículas y campos. El solver de PIC puede simular una gran variedad de dispositivos en los que la interacción entre partículas y campos de alta frecuencia es importante. Otro campo de aplicación son los dispositivos de alta potencia en los que el efecto multipactor de electrones es un riesgo.
Aplicaciones del solver de partículas en celda:
- Componentes del acelerador
- Dispositivos de onda lenta
- Efecto multipactor
Solver de partículas en celda electrostática
La tecnología del solver de partículas en celda electrostática (Es-PIC) calcula la dinámica de la carga espacial en un enfoque transitorio que capta el comportamiento en el dominio del tiempo desatendido por el análisis de seguimiento. El Es-PIC calcula la carga espacial en función del tiempo, considerando únicamente los efectos electrostáticos. En comparación con un enfoque PIC (partículas en celda) puro, no hay corriente ni campo H inducido, pero es muy adecuado para estructuras con grandes escalas de tiempo.
Aplicaciones del solver de partículas en celda electrostática:
- Fuente de iones de plasma
- Cañón de electrones con ionización
- Análisis de averías a baja presión
Solver de seguimiento de partículas
El solver de seguimiento de partículas es un solver 3D para simular trayectorias de partículas a través de campos electromagnéticos. Puede considerar el efecto de la carga espacial en el campo eléctrico mediante la opción Iteración de pistola. Hay disponibles varios modelos de emisión, entre ellos la fija, la de carga espacial limitada, la termoiónica y la de campo, y se pueden simular las emisiones de electrones secundarios.
Aplicaciones del solver de seguimiento de partículas:
- Fuentes de partículas
- Imanes de enfoque y dirección del haz
- Componentes del acelerador
Solver de campo de excitación
El solver de campo de excitación calcula los campos alrededor de un haz de partículas, representado por una corriente lineal, y los campos de estela producidos a través de interacciones con discontinuidades en la estructura circundante.
Aplicaciones del solver de campo de excitación:
- Cavidades
- Colimadores
- Monitores de posición del haz
Solvers de placa de circuito impreso
El módulo de placas de circuito impreso (PCB) y embalajes de CST Studio Suite es una herramienta para el análisis de integridad de señal (SI), integridad de potencia (PI) y compatibilidad electromagnética (EMC) en placas de circuito impreso (PCB). Se integra en el flujo de diseño EDA proporcionando potentes filtros de importación para las herramientas de diseño más populares de Cadence, Zuken y Altium. Efectos como resonancias, reflexiones, diafonía, rebote potencia/tierra y ruido de conmutación simultánea (SSN) pueden simularse en cualquier fase del desarrollo del producto, desde la fase previa al diseño hasta la posterior.
CST Studio Suite incluye tres tipos de solvers diferentes:
- Método de línea de transmisión 2D
- Método de circuito equivalente de elemento parcial (PEEC) 3D
- Método de elementos finitos en el dominio de frecuencia (FEFD)
Flujos de trabajo predefinidos para el análisis de caída de IR, integridad de potencia (PI) e integridad de la señal (SI)
Rule Check
Rule Check es una herramienta de comprobación de reglas de diseño (DRC) para compatibilidad electromagnética (EMC), integridad de la señal (SI) e integridad de la potencia (PI), que lee archivos de placa populares de Cadence, Mentor Graphics y Zuken, así como ODB++ (por ejemplo, Altium). Comprueba el diseño de la placa de circuito impreso en función de una serie de normas de diseño EMC o SI. El núcleo utilizado por Rule Check es la conocida herramienta de software EMSAT.
El usuario puede designar varias redes y componentes críticos para EMC, como redes de E/S, redes de potencia/tierra y condensadores de desacoplamiento. Rule Check examina cada red crítica, a su vez, para comprobar que no infringe ninguna de las reglas de diseño de EMC o SI seleccionadas. Una vez finalizada la comprobación de las normas, muestra las infracciones de las normas de EMC gráficamente o como documento HTML.
Aplicaciones de Rule Check:
- Comprobación de las reglas de diseño de placas de circuito impreso de compatibilidad electromagnética (EMC)
- Comprobación de las normas de diseño de PCB de integridad de la señal e integridad de la potencia (SI/PI)
Solver de mazo de cables
El solver de mazo de cables analiza en tres dimensiones la integridad de la señal (SI), la emisión conducida (CE), la emisión radiada (RE) y la susceptibilidad electromagnética (EMS) de estructuras de cables complejas en sistemas de gran tamaño a nivel eléctrico. Incorpora una técnica de modelado de líneas de transmisión rápida y precisa para configuraciones de mazos de cables en entornos 3D metálicos o dieléctricos. La simulación híbrida con el solver de mazo de cables y otros solvers de alta frecuencia permite simular eficazmente en 3D estructuras que contienen mazos de cables complejos.
Aplicaciones del solver de mazo de cables:
- Simulación general de SI y EMC de cables
- Disposición de los mazos de cables en vehículos y aeronaves
- Cables híbridos en bienes electrónicos de consumo
Preguntas frecuentes sobre los solvers electromagnéticos
Los simuladores electromagnéticos de onda completa resuelven las ecuaciones de Maxwell sin aproximaciones basadas en la naturaleza física especial de un problema. Suelen aportar soluciones a aplicaciones electromagnéticas de alta frecuencia, como antenas o componentes. SIMULIA CST Studio Suite ofrece simuladores electromagnéticos de dominio del tiempo y de dominio de la frecuencia.
Un solver electromagnético es una implementación de un método numérico que resuelve las ecuaciones de Maxwell. Debe abarcar toda la física pertinente y tener en cuenta las propiedades de los materiales y las estructuras geométricas del sistema analizado.
El mejor software de simulación electromagnética es el que realiza su trabajo con precisión y rapidez. Un requisito fundamental para lograr este reto dentro de un paquete de software es la disponibilidad de una gama de métodos de simulación numérica dentro de este software, ya que ningún método de simulación puede resolver todos los retos de simulación. El portfolio de simulación electromagnética de SIMULIA ofrece una amplia gama de emuladores para rangos de frecuencia que van desde la corriente continua hasta la luz.
La simulación electromagnética o EM describe enfoques para resolver las ecuaciones de Maxwell en el espacio y el tiempo. Los métodos basados en la discretización del volumen son, por ejemplo, el método de elementos finitos (FEM), la técnica de integración finita (FIT), el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD) y el método de matriz de líneas de transmisión (TLM). Estos métodos son muy generales y pueden utilizarse para simular toda clase de problemas. Sin embargo, existen métodos mucho más eficaces para determinados tipos de análisis electromagnético, como el método de momentos (MoM), el método de elementos límite (BEM), la correspondencia de modos, la óptica física,...
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