Перед многими инженерами в области электромагнитного моделирования часто встают вопросы дальнейшей обработки и использования результатов моделирования задачи в других средах или, наоборот, передачи параметров из одной среды в другую. Казалось бы, нет никакой проблемы экспортировать результаты в понятную другой программе форму и пользоваться ими, либо ввести данные вручную. Однако часто встают задачи, требующие выполнения данной последовательности действий N раз и производительность выполнения данных действий устремляется к нулю. Если вам интересна тема обозначенная в заголовке, тогда прошу под кат.
Современные тенденции в обработке данных привели радиоинженеров к повсеместному использованию для достижения своих целей мощного инструмента Mathworks Matlab. Данный пакет позволяет решать задачи цифровой обработки сигналов, моделирования ПЛИС и систем связи в целом, проектирования радиолокационных моделей и многое другое. Всё это делает Matlab незаменимым помощником практически любого радиоинженера.
Взаимодействие программ Fest3D и CST Studio Suite
Специалисты по высокоточному электродинамическому моделированию чаще оперируют другими специфическими пакетами программ, одним из которых является CST Microwave Studio. О данном продукте изложено множество статей на сайте компании «Евроинтех». Потому оспаривать его лидирующие аспекты нет необходимости.
Перед автором недавно встала задача по одновременному использованию упомянутых выше пакетов. В этой статье хотелось бы отразить возможный путь решения данной задачи, а также спектра задач подобных.
Стратегия
В общем случае необходимо было провести моделирование проекта в Microwave Studio в частотном диапазоне, задаваемом некоторой функцией, выполняющейся в Matlab, и последующем использованию результатов моделирования коэффициентов передачи Sij в других расчетах.
Способ ручного ввода и вывода данных пал сразу, так как описанная последовательность действий должна была быть выполнена от 1 до нескольких тысяч раз.
Было принято решение пытаться наладить управление параметрами моделирования Microwave Studio непосредственно из функций Matlab. Анализ доступной справки CST и Matlab, а также интернет-ресурсов показал, что обе программы поддерживают использование фреймворка ActiveX.
ActiveX — фреймворк для определения программных компонентов, пригодных к использованию из программ, написанных на разных языках программирования. Программное обеспечение может собираться из одного или более таких компонентов, чтобы использовать их функциональность.
Впервые эта технология была внедрена в 1996 году компанией Microsoft как развитие технологий Component Object Model (COM) и Object Linking and Embedding (OLE) и теперь она широко используется в операционных системах семейства Microsoft Windows, хотя сама технология и не привязана к операционной системе.
Из описания CST Studio следует, что любой ее компонент может выступать в качестве управляемого OLE сервера. OLE — технология связывания и внедрения объектов в другие документы и объекты, разработанная корпорацией Майкрософт. Тем самым вот оно решение Microsoft Windows, Matlab, CST Microwave Studio + технология OLE.
SIMULIA CST Studio Suite. Обзор возможностей
Теперь необходимо разобраться, как же все это реализовать в Matlab.
Базовые функции для управления CST из Matlab
Из [1] можно выделить несколько базовых функций, необходимых для работы с ActiveX интерфейсом:
actxserver
– создать локальный или удаленный сервер;
invoke
– вызвать метод для объекта ActiveX.
Проще говоря, суть команды actxserver сводится к инициализации (открытию) программы, выступающей в качестве управляемой, invoke – к обращению к тем или иным разделам управляемой программы.
сst = actxserver(‘CSTStudio.Application’)
– команда привязывает к переменной «cst» управляемый с помощью OLE объект «CSTStudio.Application». В данном случае название «CSTStudio.Application» является уникальным именем в среде ActiveX, позволяющим понять, к какой именно программе мы хотим обратиться.
mws = invoke(cst , ‘NewMWS’)
— позволяет перемещаться между основными меню программы, в данном случае отправляет команду в переменную «cst», связанную с приложением CST Studio, на создание нового пустого файла проекта;
invoke(mws, ‘OpenFile’, »)
– отправляет команду на открытие конкретного файла находящегося по адресу в только что созданной пустой вкладке, с которой связана переменная «mws»;
solver = invoke(mws, ‘Solver’)
–данная команда присваивает переменной solver обращение к вкладке решателя во вкладке проекта, связанного с переменной «mws» Microwave Studio;
invoke(solver, ‘start’)
– данная команда обратившись к CST Studio к открытому проекту войдет во вкладку решателя и запустит расчет модели.
Если обратиться к вкладке Workspace в Matlab и посмотреть значения(Value) переменных: cst, mws, solver, можно заметить следующее:
-
Переменная cst имеет значение . Это означает, что переменная cst связана с главным окном Microwave Studio, и в нем можно создавать файлы, закрывать его и т.д. Если создание файла происходит с помощью функции invoke(cst, ‘NewMWS’), то закрытие осуществляется командой
invoke(cst, ‘quit’)
invoke(mws, ‘save’)
– сохранить текущий проект;
invoke(mws, ‘quit’)
– закрыть текущий проект;
invoke(mws,’SelectTreeItem’,’1D ResultsS-ParametersS1,1’)
– выбрать файл в древе папок рабочего пространства, таким образом можно обратиться к любому файлу из «древа». Данная функция при задании пути к файла чувствительна к регистру.
brick = invoke(mws, ‘brick ‘)
– переходит к вкладке создания куба;
units = invoke(mws, ‘units’)
– переходит к окну изменения величин измерений проекта.
invoke(brick,’Reset’); invoke(brick,’name’,’matlab’); invoke(brick,’layer’,’PEC’); invoke(brick,’xrange’,’-10′,’10’); invoke(brick,’yrange’,’-10′,’10’); invoke(brick,’zrange’,’-10′,’10’); invoke(brick,’create’);
Иерархия управляемых объектов
На основе вышесказанного можно выделить некоторую иерархию управляемых элементов, которую придется соблюдать для доступа к CST Studio из Matlab.
Рисунок 1 – Иерархия управляемых элементов CST Studio
Как видно из рисунка 1, чтобы поменять какой-либо параметр в проекте необходимо: во-первых инициализировать главное окно CST Studio, во-вторых обратиться к конкретной вкладке проекта, в третьих обратиться к окну изменения свойств конкретного объекта интерфейса (вычислителя, геометрии, единиц измерения и т.д.).
Алгоритм поиска команд для управления
Если с инициализацией главного окна и вкладки проекта все просто, то набор окон для ввода и изменения параметров очень велик, и все способы обращения к ним привести в одной статье кажется невозможным. В полном объеме они доступны в справочных материалах, поставляемых с пакетом программ CST Studio Suite. Но более простым представляется следующий алгоритм поиска формата всех команд по обращению к любому месту CST Studio.
Рассмотрим предыдущий пример по созданию куба размерами 20x20x20. Создадим такой же куб, но с помощью графического интерфейса в CST Studio и найдем во вкладке Modeling кнопку History List.
Рисунок 2 – Окно вызова History List
Откроем пункт Define brick и обратимся к его содержимому и коду в Matlab, позволяющему повторить данную последовательность действий.
Рисунок 3 – Окно Define brick и код Matlab
Из рисунка 3 видно, что код в Matlab является практически копией пункта из History List. Таким образом понять к какому оконечному объекту следует обращаться после выбора вкладки проекта (после второй строки кода Matlab) можно, образовав связь между объектом интерфейса CST, в данном случае Brick, и последовательно отправить в этот объект команды прямо из History List.
Однако не все команды в History List имеют такой синтаксис. Например, задание частотного диапазона для расчета осуществляется с помощью следующей строки:
Рисунок 4 – Задание частотного диапазона в History List
Здесь опять же очевидным образом присутствует название объекта, которому следует отправлять команды – Solver. Тогда команда для изменения частотного диапазона из Matlab будет выглядеть следующим образом:
solver = invoke(mws,’Solver’); invoke(solver,’FrequencyRange’,’150′,’225′);
Сформулируем алгоритм поиска имен объектов и формата команд для управления CST Studio из Matlab:
- Необходимо выполнить все действия, которые хочется автоматизировать в Matlab, из графического интерфейса CST Studio;
- Открыть в ModelingHistory List текст требуемой операции («define brick», «define frequency range» и т.д.);
- С помощью команд, представленных ниже, связаться с CST Studio из Matlab и открыть требуемый файл:
сst = actxserver(‘CSTStudio.Application’) mws = invoke(cst , ‘NewMWS’) invoke(mws, ‘OpenFile’, »)
= invoke(mws, »)
invoke(, », », »)
Вывод результатов анализа
После написанного выше можно уже отправить читателя разбираться дальше самому, но в самом начале статьи задача была поставлена как ввод параметров частотного диапазона из Matlab в CST и импорт результатов моделирования в виде S-параметров передачи обратно в Matlab. К тому же операции экспорта результатов в History List не отображаются.
С помощью графического интерфейса это осуществляется следующим образом:
- После расчета выбираем файл в «древе» папок для его отображения;
- 2 Экспортируем его в ASCII файл через вкладку Post ProcessingImport/ExportPlot Data(ASCII).
Выше уже была упомянута команда
invoke(mws,’SelectTreeItem’,’1D Results/S-Parameters/S1,1′)
позволяющая выбрать необходимый файл в «древе» рабочего поля. Для вывода результатов в ASCII воспользуемся встроенной функцией CST «ASCIIExport».
Из справки к CST для выполнения данной функции необходимо послать CST следующие команды:
export = invoke(mws,’ASCIIExport’)
— инициализация функции экспорта с переменной export;
invoke(export,’reset’)
— сброс всех внутренних параметров на значения по умолчанию;
invoke(export,’FileName’,’C:/Result.txt’)
— задание пути сохранения и имени файла;
invoke(export,’Mode’,’FixedNumber’)
— выбор метода сохранения точек. FixedNumber – выводит строго заданное количество точек, FixedWidth – выводит точки через заданный шаг;
invoke(export,’step’,’1001′)
– число точек для вывода/ширина шага;
invoke(export,’execute’)
– команда на вывод.
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 А.В. Фатеев Применение CST Microwave Studio для расчета антенн и устройств СВЧ Учебное пособие Рекомендовано Сибирским региональным отделением учебно-методического объединения высших учебных заведений РФ по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлениям подготовки специалистов «Радиоэлектронные системы и комплексы» и магистров «Радиотехника» Томск Издательство ТУСУРа 2017
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.
Используемый метод решения, несомненно, влияет на эффективность и точность, с которой могут быть смоделированы те или иные высокочастотные компоненты и устройства. Учебное пособие состоит из семи разделов. Первый раздел даёт общее представление о пользовательском интерфейсе программы.
Во втором разделе описаны основные инструменты для создания модели устройства и настройки программы. Последующие разделы посвящены расчету антенн и устройств СВЧ, в них приведены возможности постобработки результатов, которые дают наглядное представление о работе устройства и распространении электромагнитных полей в нем. Цель учебного пособия – дать студентам основные понятия из области моделирования техники антенн и устройств СВЧ, помочь овладеть инструментами расчета и принципами построения антенных систем. Современному радиоспециалисту необходимо ориентироваться в этих вопросах, обладать знаниями о возможностях современных систем электродинамического моделирования, уметь правильно создавать модели, рассчитывать и проектировать устройства СВЧ.
1. Описание CST Microwave Studio 1.1. О программе CST Microwave Studio является одним из пакетов программ от CST Studio Suite: CST MICROWAVE STUDIO является программой для трехмерного электромагнитного моделирования различных устройств СВЧ – от волноводов и антенн до оптических элементов. Программа позволяет решить задачу несколькими методами и дает высокую точность расчета.
Диапазон длин волн, в котором программа наиболее эффективно работает, – от коротковолнового до нанометрового; CST EM STUDIO представляет инструмент анализа и проектирования статических и низкочастотных структур. Области применения – 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, моделирующих движущиеся носители зарядов, а также учитывает температурные процессы; CST PCB STUDIO – пакет для исследования распространения радиосигналов в печатных платах, в том числе для решения задач электромагнитной совместимости (EMC) и электромагнитных помех (EMI); 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 определенные проводники, – 4 –
S-параметры, импедансы, а также взаимные наводки проводников друг на друга; CST BOARDCHECK – специализированный пакет, позволяющий выполнять импорт проектов печатных плат из различных систем проектирования и выявлять в них возможные проблемы электромагнитной совместимости по набору заданных ограничений; CST DESIGN STUDIO – универсальная платформа для управления всем процессом разработки сложной системы, начиная с электрических компонентов и заканчивая радиосистемой. Она позволяет 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 определенных интегралов (FI), работающий 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 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 па- кета CST Microwave Studio, являются: волноводные и микрополосковые направленные ответви- тели; мощности; делители и сумматоры мощности; волноводные, микрополосковые и диэлектрические фильтры; одно- и многослойные микрополосковые структуры; – 5 –
различные линии передачи; коаксиальные и многовыводные соединители; коаксиально-волноводные и коаксиально-полосковые переходы; оптические волноводы и коммутаторы; различные типы антенн – рупорные, спиральные, планар- ные. Основные характеристики пакета CST Microwave Studio: расчет 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 в результате использования метода аппроксимации для идеальных граничных условий; 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; расчет собственных мод портов; автоматический расчет импедансов портов; анимационное отображение полей; отображение полученных результатов по мере выполнения расчета; мощный оптимизатор; расчет поля антенн в дальней зоне (двух- и трехмерное представление поля, усиление, расчет угловой ширины основного и боковых лепестков диаграммы направленности). 1.2. Основные действия и настройки для создания CAD-модели При открытии программа CST Studio Suite позволяет выбрать два варианта запуска необходимого пакета (рисунок 1).
Вариант 1. Воспользоваться мастером конфигурации. Для этого необходимо выбрать Create Project (рисунок 2) и, следуя подсказкам, задать предустановки и выбрать наиболее подходящий метод расчета. Рисунок 1. Интерфейс программы CST Studio Suite
Рисунок 2. Окно мастера конфигурации – 7 –
Вариант 2. Выбрать модуль CST Microwave Studio. Основной интерфейс программы состоит из нескольких окон: Navigation Tree – дерево проекта; Ribbon – элементы управления; Drawing Plan – окно отображения CAD-модели или результатов расчета; Parameter list – окно параметров объектов; Massages and progress – окно сообщений. На рисунке 3 представлено изображение главного окна CST Microwave Studio.
Как можно заметить, интерфейс CST Microwave Studio (MWS) не отличается от интерфейсов любых других CAD-про- грамм, с помощью которых можно создавать 3D-модели объектов. Элементы управления разбиты на тематические вкладки (рисунок 4) для последовательного управления всем интерфейсом программы.
Вкладки выстроены в логическую последовательность работы с проектом: базовые ( Home ), создание объектов ( Modeling ), настройки для расчета ( Simulation ), постобработка результатов расчета ( Post Processing ) и 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, гигагерцы, миллиметры и наносекунды или килогерцы, сантиметры, миллисекунды. Далее следует выбрать один из описанных ниже методов расчета ( Setup Solver ) [1] Transient Solver – метод расчета, основанный на методе конечных разностей во временной области ( FDTD ), позволяет провести расчет проектируемого устройства в широком диапазоне частот после расчета единственной переходной характеристики (в отличие от частотного метода, который требует анализ во многих частотных точках). Этот метод очень эффективен для расчета многих СВЧ-устройств, переходов, линий передачи, антенн (рисунок 5) и т.д.
Источник: studfile.net
Симуляция электромагнитного поля для всего спектра частот
CST Studio Suite® — профессиональное программное обеспечение для ЭМ-анализа в 3D, предназначенное для проектирования, анализа и оптимизации электромагнитных компонентов и систем. В едином пользовательском интерфейсе пакета CST Studio Suite доступны решающие программы для всего спектра электромагнитных полей. Эти решающие программы можно объединять для гибридной симуляции, что дает инженерам возможность эффективно и быстро анализировать целые системы, состоящие из множества компонентов. Совместное проектирование с использованием других продуктов SIMULIA позволяет интегрировать ЭМ-симуляцию в процесс проектирования и управлять процессом разработки с самых ранних этапов.
Наиболее распространенные предметы ЭМ-анализа, где используется CST Studio Suite:
- производительность и эффективность антенн и фильтров
- электромагнитная совместимость и помехи (ЭМС/ЭМП)
- воздействие человеческого тела на электромагнитные поля
- электромеханические эффекты в двигателях и генераторах
- тепловые эффекты в устройствах высокой мощности.
Симуляция позволяет использовать виртуальное прототипирование. Можно оптимизировать производительность устройства, выявлять потенциальные несоответствия нормативным требованиям и устранять их на ранних этапах процесса проектирования, уменьшить количество необходимых физических прототипов и свести к минимуму риск ошибок и отзывов продукции.
CST Studio Suite используется в ведущих технологических и инженерных компаниях по всему миру. Это решение обеспечивает значительные преимущества на рынке, сокращая циклы разработки и затраты.
Решающие программы
CST Studio Suite® предоставляет клиентам доступ к нескольким решающим программам электромагнитного (EM) моделирования, которые используют такие методы, как метод конечных элементов (FEM), метод конечной интеграции (FIT) и метод матрицы линий передач (TLM). Они представляют собой наиболее мощные решатели общего назначения для задач высокочастотного моделирования.
Дополнительные решатели для специализированных высокочастотных приложений, таких как крупные электрические или высокорезонансные структуры, дополняют решатели общего назначения.
CST Studio Suite включает решатели FEM, предназначенные для статических и низкочастотных приложений, таких как электромеханические устройства, трансформаторы или датчики. Наряду с этим доступны методы моделирования для задач динамики заряженных частиц, электроники и мультифизики.
Полная интеграция решающих программ в один пользовательский интерфейс в CST Studio Suite позволяет легко выбрать наиболее подходящий метод моделирования для данного класса проблем, обеспечивая улучшенную производительность моделирования и беспрецедентную надежность моделирования за счет перекрестной проверки.
Варианты обмена данными
Превосходная интеграция рабочего процесса, доступная в CST Studio Suite®, обеспечивает надежные варианты обмена данными, которые помогают снизить рабочую нагрузку инженера-проектировщика.
CST Studio Suite известен своими превосходными возможностями импорта данных CAD и EDA. Сложные механизмы интеграции, которые восстанавливают целостность некорректных или несовместимых данных, особенно важны, поскольку даже один поврежденный элемент может помешать использованию всей части.
Полностью параметризованные модели можно импортировать, а изменения в конструкции мгновенно отражаются в имитационной модели благодаря двунаправленной связи между САПР и симуляцией. Это означает, что результаты оптимизаций и параметрических проектных исследований можно импортировать обратно непосредственно в основную модель. Это улучшает интеграцию рабочего процесса и сокращает время и усилия, необходимые для оптимизации разработки.
Автоматическая оптимизация
CST Studio Suite® предлагает автоматические процессы оптимизации для электромагнитных систем и устройств. Модели CST Studio Suite можно параметризовать в зависимости от их геометрических размеров или свойств материала. Это позволяет пользователям изучать поведение устройства при изменении его свойств.
Пользователи могут найти оптимальные параметры разработки для достижения заданного эффекта или достижения определенной цели. Они также могут адаптировать свойства материала в соответствии с измеренными данными.
CST Studio Suite содержит несколько алгоритмов автоматической оптимизации, как локальных, так и глобальных. Локальные оптимизаторы обеспечивают быструю сходимость, но рискуют сойтись к локальному минимуму, а не к общему лучшему решению. С другой стороны, глобальные оптимизаторы просматривают все проблемное пространство, но обычно требуют дополнительных вычислений.
Методы высокопроизводительных вычислений могут использоваться для ускорения моделирования и оптимизации очень сложных систем или задач с большим количеством переменных. В частности, производительность глобальных оптимизаторов может быть значительно улучшена за счет использования распределенных вычислений.
Моделирование электромагнитных систем
С помощью System Assembly and Modeling (SAM) CST Studio Suite® предоставляет среду, которая упрощает управление проектами моделирования, обеспечивая интуитивно понятное построение электромагнитных (EM) систем и прямое управление сложными потоками моделирования с использованием схематического моделирования.
Структура SAM может использоваться для анализа и оптимизации всего устройства, которое состоит из нескольких отдельных компонентов. Они описываются соответствующими физическими величинами, такими как токи, поля или S-параметры. SAM позволяет использовать наиболее эффективную технологию решателя для каждого компонента.
SAM помогает пользователям сравнивать результаты различных решателей или конфигураций моделей в рамках одного проекта моделирования и автоматически выполнять постобработку. SAM позволяет настроить связанную последовательность запусков решателя для гибридного и мультифизического моделирования. Например, использование результатов электромагнитного моделирования для расчета тепловых эффектов, затем структурной деформации, а затем еще одного электромагнитного моделирования для анализа отстройки.
Такое сочетание различных уровней моделирования помогает снизить вычислительные затраты, необходимые для точного анализа сложной модели.
Интерфейс пользователя
Среда проектирования CST Studio Suite® — это интуитивно понятный пользовательский интерфейс, используемый всеми модулями. Он включает в себя инструмент трехмерного интерактивного моделирования, инструмент схематического макета, препроцессор для электромагнитных решающих программ и инструменты постобработки, адаптированные к потребностям отрасли.
В ленточном интерфейсе используются вкладки для отображения всех инструментов и параметров, необходимых для настройки, выполнения и анализа моделирования, сгруппированных в соответствии с их положением в рабочем процессе. Контекстные вкладки означают, что наиболее подходящие параметры для задачи всегда находятся на расстоянии одного щелчка. Кроме того, Мастер проекта и Руководство по быстрому запуску предоставляют рекомендации новым пользователям и предлагают доступ к широкому спектру функций.
Инструмент трехмерного интерактивного моделирования, лежащий в основе интерфейса, использует ядро ACIS 3D CAD. Этот мощный инструмент позволяет создавать сложные модели в CST Studio Suite и редактировать их параметрически с помощью простого подхода WYSIWYG.
Пакет инструментов для высокочастотного моделирования.
Источник: softprom.com