CST仿真设计理论与实践

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。

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

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。

本书内容可分为两部分。第一部包括第1~6 章，主要介绍软件的基本功能。其中，第1 章介绍软件的界面，第2 章介绍建模的常用操作，第3 章介绍激励类型与设置、材料库和边界条件，第4 章介绍不同的求解器与求解设置，第5 章介绍结果查看和数据后处理的方法，第6 章介绍优化器和高性能计算。第二部包括第7~13 章，结合仿真实例介绍CST 的使用技巧，并融入相应的理论知识。其中，第7 章介绍了两种滤波器的仿真设计方法，包括基于耦合谐振器的腔体带通滤波器和基于微带阶跃阻抗谐振器的超宽带滤波器；第8 章通过仿真验证了贴片天线的基本理论，结合短路加载介绍高增益贴片天线的设计方法，结合滤波天线技术实现贴片天线带宽的增加；第9 章介绍了特征模理论，对偶极子和贴片天线进行模式分析，并进一步应用于两个不同的圆极化天线的设计；第10 章介绍了终端天线相关技术及其仿真实现，包括倒F 天线的单元设计、MIMO 天线去耦、手机边框天线设计和SAR 仿真等；第11 章介绍了周期结构的仿真设计，包括1D 漏波天线、频率选择表面单元和高增益Fabry-Perot 天线等；第12 章介绍了散射场的仿真方法，包括等离子体的散射场提取和物体散射RCS 仿真计算；第13 章主要介绍基于编程调用CST 的自动化建模与仿真，分别介绍了基于MATLAB 和Python 的调用方法，可用于复杂模型的快速建模。

本书在编写时充分考虑了用户群体的特点，所有内容都经过精心的编排，每个仿真实例的选择都经过深思熟虑，具有以下特点。

(1) 内容丰富全面，与时俱进。本书共有7 章介绍仿真实例，其中每章又设置了多个关联性较强的仿真设计，涵括了微波电路和天线领域多个不同的主题。内容与当前研究热点紧密结合，引入了特征模、周期结构、自动化建模等较前沿的内容，弥补了当前同类教材的不足，迎合了相当一部分从业人员的需求。

(2) 实例结构经典，机理深刻。本书的大部分仿真实例源自IEEE 权威期刊中的高引论文，每个仿真实例对应一个经典的电路/天线理论知识点。所选的仿真实例结构简单，易于建模实现，同时机理非常清晰和深刻。读者在仿真过程中，不仅能学会基本的软件使用技巧，还能在仿真中深入理解并掌握相应的理论知识，一举两得。

(3) 理论结合实践，实用性强。本书的实例章节，既有具体的仿真操作步骤，也加入了具体的理论分析内容，有助于读者在实践过程中加深对理论知识的理解。在章节内容安排上，既包含较为前沿的课题，也有与实际产品密切相关的内容，如终端天线设计。

本书由深圳大学张晓担任主编，鹏城实验室李银、广东工业大学吴琼森和广州浦信系统技术有限公司李瑞鹏担任副主编。其中，李瑞鹏编写第1~6 章，吴琼森编写第7 章，张晓编写第8~11 章，李银编写第12、13 章，此外，达索系统中国大学校长冯升华和广州浦信系统技术有限公司总经理席宏宇参与了编写初期的策划和后期的校稿，并提出了宝贵的修改意见。曾麒渝、李国雄、许志泳、杨玉凡、陈贯雄和杨天龙为本书的编写做了大量的辅助性工作，参与了实例建模仿真、数据整理和校稿检查等环节。

本书的顺利出版，得到了达索析统(上海)信息技术有限公司和广州浦信系统技术有限公司的大力支持，他们为第1～6 章内容的编写提供了大量的参考资料，并为编写小组提供了相应的技术支持。此外，本书的出版获得了深圳大学及其电子与信息工程学院的大力支持，本书同时获得了深圳大学教材出版资助。

由于作者水平有限，以及无线通信技术发展快速，书中不足之处在所难免，欢迎专家、读者批评指正。

本书提供教学课件，读者可扫下列二维码下载。

教学课件

编者

2022 年8 月