[正版新书] CST仿真设计理论与实践 张晓、李银、吴琼森、李瑞鹏 清华大学出版社 CST,仿真设计,CST仿真设计,电

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。

张晓老师主编的这本《CST仿真设计理论与实践》，是一本适合CST入门学习者的教程书

籍，可以帮助初学者快速熟悉CST的用户界面及仿真环境，免去多余查找资料的时间，从而专

注于所需解决的电磁场问题。一方面，为了应对各种不同的应用场景，CST包含了多种不同的

求解器、不同的工作模式及多种外部接口，通过对教程的学习，可以较快掌握其基本运用方法

和进阶技术;另一方面，随着天线理论及工程应用的发展，CST教程的内容也需要与时俱进，

将重心转移到前沿需求的聚光灯下。目前业界正需要具有完备知识覆盖、内容切合时代主题、

教学深入浅出的CST教材。

这本教材的编写团队在天线、滤波器和数值算法等领域从事理论研究多年，发表了众多代

表性成果;同时结合产业需求，致力于技术的转化与应用，有着丰富的实践经验。难能可贵的是，

来自深圳大学、鹏城实验室和广东工业大学的编者对教学充满了激情和热忱,以教书育人为己任,

教学经验丰富，在高校所承担的课程受到了广大学生的喜爱。该编写团队一直在探索天线教学的

新模式，前期积累了大量的教学素材和教学经验，为这本教材的编写奠定了扎实的基础。

目 录

第1 章 初识CST............................................. 1

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 List.............................8

1.3.2 Progress ......................................8

1.3.3 Messages.....................................8

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