CST工作室套裝2017簡(jiǎn)介09 - 生物電磁、光學(xué)、EMC等領(lǐng)域的應(yīng)用
總共計(jì)劃10期完成介紹的—CST2017套裝簡(jiǎn)介系列還有最后二期。本期中我們介紹一下CST在生物電磁、光學(xué)、EDA、EMC等領(lǐng)域的應(yīng)用。
生物電磁
電磁場(chǎng)與人體的相互作用不僅與手機(jī)等現(xiàn)代通信設(shè)備有關(guān)，也與物聯(lián)網(wǎng)和用于監(jiān)測(cè)、成像和治療的先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備等新技術(shù)有關(guān)。因?yàn)槿梭w體內(nèi)測(cè)量一般難以進(jìn)行，電磁仿真是分析人體內(nèi)復(fù)雜場(chǎng)分布的唯一途徑，能用于確保設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)并且認(rèn)知和避免人體器官組織內(nèi)功率損耗所產(chǎn)生的危害。
為了準(zhǔn)確仿真人體內(nèi)的電磁傳播需要準(zhǔn)確地建模復(fù)雜的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)和人體組織材料屬性，而這兩者一般會(huì)隨年齡、頻率和溫度的變化而改變。CST同時(shí)提供基于體元的人體模型和基于CAD的人體模型，并能模擬不同年齡、個(gè)頭和性別，同時(shí)提供了一個(gè)包含大量人體器官組織的材料庫，另外還針對(duì)體元模型提供了一個(gè)工具用于調(diào)整人體形態(tài)。
人體模型：CST為電磁仿真提供基于CAD（左）和基于體元（右）的人體模型
所有在人體近距范圍內(nèi)工作的電磁設(shè)備都需要政府機(jī)構(gòu)認(rèn)證，主要是基于統(tǒng)計(jì)場(chǎng)評(píng)估值（例如按照國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(ICNIRP)標(biāo)準(zhǔn)）或比吸收率(SAR)，比吸收率是用于衡量人體吸收的能量大小的指標(biāo)。CST工作室套裝能直接計(jì)算各種類型的SAR，包括點(diǎn)SAR、1克和10克平均SAR以及整體SAR。使得工程師能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期階段就能對(duì)SAR值進(jìn)行評(píng)估。
在設(shè)計(jì)人體體內(nèi)或近距離使用的設(shè)備時(shí)，發(fā)熱是另一項(xiàng)重要的考量。在部分醫(yī)療設(shè)備中，例如在癌癥治療設(shè)備中，發(fā)熱是需要的效果，但在其他的應(yīng)用中則是有害的。CST工作室套裝提供帶生物熱傳導(dǎo)求解器的多物理場(chǎng)模塊，能計(jì)算溫度分布和熱劑量（CEM 43°C）以及對(duì)活體組織產(chǎn)生的影響，例如代謝熱、血擴(kuò)散和人體熱調(diào)節(jié)。如欲了解更多信息，敬請(qǐng)參閱多物理場(chǎng)(Multiphysics)（見簡(jiǎn)介02）。
MRI：7 T MRI的可調(diào)陣列和人體模型，從左至右依次顯示B1+場(chǎng)分布、點(diǎn)SAR、10分鐘后溫度和熱劑量(CEM43°C)。圖片由德國癌癥研究中心(DKFZ)提供。
光學(xué)
“在我們的團(tuán)隊(duì)里，我們經(jīng)常使用CST工作室套裝對(duì)我們光學(xué)超材料和等離子體進(jìn)行研究。由于其用戶友好性、仿真精度高、能靈活地為復(fù)雜問題建模，我們都非常喜愛使用?！?/em>
A. Alù，德州大學(xué)奧斯汀分校副教授
在眾多領(lǐng)域中，光學(xué)、光電和等離子體器件已經(jīng)成為關(guān)鍵組件，例如在通信、遙感或醫(yī)療應(yīng)用中，并且它們會(huì)在將來扮演越來越重要的角色。對(duì)于此類器件的仿真有助于優(yōu)化它們的效率，降低設(shè)計(jì)與研發(fā)成本。
光學(xué)器件中常常利用非線性效應(yīng)，因此CST提供了一系列非線性材料模型（請(qǐng)見簡(jiǎn)介02）。由于涉及的波長極短，因此光學(xué)組件往往要求仿真電氣規(guī)模極大的結(jié)構(gòu)。典型例子如光柵耦合器或波導(dǎo)彎頭。高性能計(jì)算（請(qǐng)見簡(jiǎn)介03）為這些器件的全波仿真提供了一個(gè)有效途徑。
通過為一部分波導(dǎo)的局部施加外部場(chǎng)，改變其中一段直波導(dǎo)內(nèi)的折射率從而能切換輸出。產(chǎn)生的相位變化會(huì)給輸出通道上游或下游造成破壞性的干擾
EDA/電子
現(xiàn)代電路板和封裝由于數(shù)據(jù)率高、結(jié)構(gòu)緊湊、布局復(fù)雜，使其保持信號(hào)完整性(SI)、電源完整性(PI)和電磁兼容性(EMC)的難度較大。CST工作室套裝包含了一系列工具，能夠幫助工程師對(duì)PCB的布局進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化。
信號(hào)完整性：在CST工作室套裝內(nèi)生成的多級(jí)眼圖。
CST工作室套裝內(nèi)的專用PCB仿真工具能用于迅速仿真PCB的行為，包括壓降、供電網(wǎng)絡(luò)(PDN)阻抗和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性。使用帕累托前沿優(yōu)化能自動(dòng)優(yōu)化去藕電容，平衡價(jià)格與性能。此外，CST工作室套裝還為PCB布局提供規(guī)則檢查工具（CSTBOADCHECK）。該工具能自動(dòng)檢測(cè)可能導(dǎo)致SI/PI或EMC問題的結(jié)構(gòu)。
使用為復(fù)雜印刷結(jié)構(gòu)優(yōu)化的專用網(wǎng)格剖分算法，PCB版圖能直接轉(zhuǎn)換為用于全波仿真的3D模型，或轉(zhuǎn)換為用于電路仿真的等效電路模型。IC設(shè)計(jì)可通過芯片交互界面導(dǎo)入，該接口模擬真實(shí)的制造工藝，能生成精確的仿真模型。
通道建模：DDR4 RAM內(nèi)存通道上的電場(chǎng)
仿真能重復(fù)使用同一虛擬原型進(jìn)行許多標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，例如S參數(shù)、眼圖和時(shí)域反射（TDR），從而幫助降低成本和縮短設(shè)計(jì)周期。
EMC
“采用CST微波工作室仿真EMC和EMI性能為我們?cè)诳蛻裟抢锾峁┝烁?jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)了他們對(duì)我們產(chǎn)品的信賴。”
Ralf Kakerow，大陸汽車有限公司
電磁兼容性(EMC)和電磁干擾(EMI)是同一個(gè)問題的兩個(gè)方面。從電磁兼容合規(guī)的角度，待測(cè)設(shè)備不得產(chǎn)生干擾其他設(shè)備的傳導(dǎo)發(fā)射或輻射發(fā)射。從抗電磁干擾的角度，設(shè)備必須能承受預(yù)期的干擾，無論干擾是來自臨近設(shè)備還是來自環(huán)境中的電磁效應(yīng)（E3），例如雷擊或電磁脈沖(EMP)。
輻射：來自PCB的輻射發(fā)射
在電子設(shè)備仿真中，CST設(shè)計(jì)工作室的電路仿真能對(duì)全波求解器進(jìn)行有效補(bǔ)充和輔助，它包含在所有的CST工作室套裝許可證中。真正的瞬態(tài)場(chǎng)路聯(lián)合仿真能夠在設(shè)備的3D仿真中使用SPICE和IBIS等組件模型。此外，使用規(guī)則檢查工具CST規(guī)則檢查還能核驗(yàn)PCB布局，發(fā)現(xiàn)潛在的電磁兼容性問題。.
E3： 飛機(jī)在雷擊過程中產(chǎn)生的從機(jī)頭至機(jī)尾的表面電流
EMC/EMI和E3問題可能會(huì)從復(fù)雜結(jié)構(gòu)中貌似微不足道的地方產(chǎn)生，例如一條線纜、一個(gè)通風(fēng)孔或一道縫隙。傳輸線矩陣(TLM)求解器非常適用于這類情況，它支持能高效建模復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精簡(jiǎn)模型。
共存是一個(gè)重要的問題，對(duì)處于同一平臺(tái)上的多個(gè)RF系統(tǒng)如此，對(duì)運(yùn)行在高時(shí)鐘速度下、諧波散布在RF頻率范圍內(nèi)的多個(gè)數(shù)據(jù)總線也是如此。射頻干擾會(huì)導(dǎo)致這些系統(tǒng)的性能惡化，是不可接受的。CST 干擾分析任務(wù)(Interference Task)能分析系統(tǒng)間耦合和傳輸，整體概覽可能的射頻干擾。該干擾分析工具完全集成在CST工作室套裝內(nèi)，便于在不同場(chǎng)景下運(yùn)行分析，并在檢測(cè)到可能的干擾后，測(cè)試緩解問題措施。
電纜能被結(jié)構(gòu)某個(gè)部分中的輻射場(chǎng)耦合，然后傳導(dǎo)到另一個(gè)部位，并再次輻射它們，導(dǎo)致進(jìn)一步的電磁干擾問題。時(shí)域求解器可使用“混合瞬態(tài)電纜仿真”予以輔助。這樣就可以將解析電纜和線束模型集成到3D模型中。
這期主要介紹了CST2017版本在生物電磁、光學(xué)、EDA、EMC等領(lǐng)域的應(yīng)用。在完成這一系列后，開始發(fā)布一些具體的操作實(shí)例。
