CST工作室套裝2017簡介09 - 生物電磁、光學、EMC等領域的應用
總共計劃10期完成介紹的—CST2017套裝簡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、EDA、EMC等領域的應用。
生物電磁
電磁場與人體的相互作用不僅與手機等現(xiàn)代通信設備有關，也與物聯(lián)網(wǎng)和用于監(jiān)測、成像和治療的先進醫(yī)療設備等新技術有關。因為人體體內測量一般難以進行，電磁仿真是分析人體內復雜場分布的唯一途徑，能用于確保設備功能實現(xiàn)并且認知和避免人體器官組織內功率損耗所產(chǎn)生的危害。
為了準確仿真人體內的電磁傳播需要準確地建模復雜的解剖學結構和人體組織材料屬性，而這兩者一般會隨年齡、頻率和溫度的變化而改變。CST同時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、個頭和性別，同時提供了一個包含大量人體器官組織的材料庫，另外還針對體元模型提供了一個工具用于調整人體形態(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工作的電磁設備都需要政府機構認證，主要是基于統(tǒng)計場評估值（例如按照國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)標準）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。CST工作室套裝能直接計算各種類型的SAR，包括點SAR、1克和10克平均SAR以及整體SAR。使得工程師能夠在產(chǎn)品設計早期階段就能對SAR值進行評估。
在設計人體體內或近距離使用的設備時，發(fā)熱是另一項重要的考量。在部分醫(yī)療設備中，例如在癌癥治療設備中，發(fā)熱是需要的效果，但在其他的應用中則是有害的。CST工作室套裝提供帶生物熱傳導求解器的多物理場模塊，能計算溫度分布和熱劑量（CEM 43°C）以及對活體組織產(chǎn)生的影響，例如代謝熱、血擴散和人體熱調節(jié)。如欲了解更多信息，敬請參閱多物理場(Multiphysics)（見簡介02）。
MRI：7 T MRI的可調陣列和人體模型，從左至右依次顯示B1+場分布、點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
“在我們的團隊里，我們經(jīng)常使用CST工作室套裝對我們光學超材料和等離子體進行研究。由于其用戶友好性、仿真精度高、能靈活地為復雜問題建模，我們都非常喜愛使用?！?/em>
A. Alù，德州大學奧斯汀分校副教授
在眾多領域中，光學、光電和等離子體器件已經(jīng)成為關鍵組件，例如在通信、遙感或醫(yī)療應用中，并且它們會在將來扮演越來越重要的角色。對于此類器件的仿真有助于優(yōu)化它們的效率，降低設計與研發(fā)成本。
光學器件中常常利用非線性效應，因此CST提供了一系列非線性材料模型（請見簡介02）。由于涉及的波長極短，因此光學組件往往要求仿真電氣規(guī)模極大的結構。典型例子如光柵耦合器或波導彎頭。高性能計算（請見簡介03）為這些器件的全波仿真提供了一個有效途徑。
通過為一部分波導的局部施加外部場，改變其中一段直波導內的折射率從而能切換輸出。產(chǎn)生的相位變化會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、結構緊湊、布局復雜，使其保持信號完整性(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PCB的布局進行設計、分析和優(yōu)化。
信號完整性：在CST工作室套裝內生成的多級眼圖。
CST工作室套裝內的專用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(PDN)阻抗和信號網(wǎng)絡的傳輸特性。使用帕累托前沿優(yōu)化能自動優(yōu)化去藕電容，平衡價格與性能。此外，CST工作室套裝還為PCB布局提供規(guī)則檢查工具（CSTBOADCHECK）。該工具能自動檢測可能導致SI/PI或EMC問題的結構。
使用為復雜印刷結構優(yōu)化的專用網(wǎng)格剖分算法，PCB版圖能直接轉換為用于全波仿真的3D模型，或轉換為用于電路仿真的等效電路模型。IC設計可通過芯片交互界面導入，該接口模擬真實的制造工藝，能生成精確的仿真模型。
通道建模：DDR4 RAM內存通道上的電場
仿真能重復使用同一虛擬原型進行許多標準的實驗室測量，例如S參數(shù)、眼圖和時域反射（TDR），從而幫助降低成本和縮短設計周期。
EMC
“采用CST微波工作室仿真EMC和EMI性能為我們在客戶那里提供了競爭優(yōu)勢，增強了他們對我們產(chǎn)品的信賴?！?/em>
Ralf Kakerow，大陸汽車有限公司
電磁兼容性(EMC)和電磁干擾(EMI)是同一個問題的兩個方面。從電磁兼容合規(guī)的角度，待測設備不得產(chǎn)生干擾其他設備的傳導發(fā)射或輻射發(fā)射。從抗電磁干擾的角度，設備必須能承受預期的干擾，無論干擾是來自臨近設備還是來自環(huán)境中的電磁效應（E3），例如雷擊或電磁脈沖(EMP)。
輻射：來自PCB的輻射發(fā)射
在電子設備仿真中，CST設計工作室的電路仿真能對全波求解器進行有效補充和輔助，它包含在所有的CST工作室套裝許可證中。真正的瞬態(tài)場路聯(lián)合仿真能夠在設備的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PCB布局，發(fā)現(xiàn)潛在的電磁兼容性問題。.
E3： 飛機在雷擊過程中產(chǎn)生的從機頭至機尾的表面電流
EMC/EMI和E3問題可能會從復雜結構中貌似微不足道的地方產(chǎn)生，例如一條線纜、一個通風孔或一道縫隙。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雜結構的精簡模型。
共存是一個重要的問題，對處于同一平臺上的多個RF系統(tǒng)如此，對運行在高時鐘速度下、諧波散布在RF頻率范圍內的多個數(shù)據(jù)總線也是如此。射頻干擾會導致這些系統(tǒng)的性能惡化，是不可接受的。CST 干擾分析任務(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，便于在不同場景下運行分析，并在檢測到可能的干擾后，測試緩解問題措施。
電纜能被結構某個部分中的輻射場耦合，然后傳導到另一個部位，并再次輻射它們，導致進一步的電磁干擾問題。時域求解器可使用“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、EDA、EMC等領域的應用。在完成這一系列后，開始發(fā)布一些具體的操作實例。
