電磁界シミュレーション・ソルバー

電磁界システムおよびデバイス用 CST Studio Suite シミュレーション・ソルバー

電磁界ソルバーの強力なポートフォリオ

CST Studio Suite® により、複数の電磁(EM)シミュレーション・ソルバーを利用できます。その範囲の中には、有限要素法(FEM)、有限積分法(FIT)、伝送線路マトリックス法(TLM)が含まれます。この 3 つの手法は、電磁界シミュレーション・タスクの非常に強力な汎用ソルバーです。CST Studio Suite は、時間領域と周波数領域における解法を提供します。CST Studio Suite ソリューションの適用範囲は、静解析から光学周波数まで及びます。

周波数範囲および用途別の電磁界界ソルバー

高周波電磁界シミュレーション・ソルバー

CST Studio Suite は、FIT 法、FEM 法、TLM 法により、高周波シミュレーションに最適なソルバーを提供します。従来の時間領域法としての FIT 法と TLM 法は、広帯域、アンテナ、複雑で細かい対象でそのメリットを発揮します。これらのソルバーは、装置の電磁両立性(EMC)、信号と電力の完全性を解析することもできます。汎用ソルバーを補完する、電気的に大規模であったり高い共振構造物などの特別な高周波用途向けのソルバーも用意しています。

低周波電磁界シミュレーション・ソルバー

CST Studio Suite には、電気機械装置、モーター、発電機、変圧器、センサーなどの静的電磁場および低周波用途専用の FEM ソルバーがあります。Opera の技術は、このソルバー・セットを補完し、包括的で高精度なソリューションを実現します。

荷電粒子力学ソルバー

電磁場の粒子のシミュレーションは、CST Studio Suite が特に強みを発揮する分野です。電子銃からマイクロ波管まで、マグネトロン・スパッタリングから粒子加速器コンポーネントまで、幅広い用途に対応しています。粒子ベースの装置の効率的なシミュレーションに適したソルバーです。

CST Studio Suite によるマルチフィジックス

電磁界が存在すると、他の物理学的な事象に影響を与えます。物質内での損失は、温度の上昇につながります。温度が上昇すると、コンポーネントが変形し、性能が低下する可能性があります。CST Studio Suite は、こうした影響を解析するためのマルチフィジックス・シミュレーションを提供します。その応用範囲には、電子機器の冷却と、医療機器のための生体熱の検討が含まれます。3DEXPERIENCE プラットフォームを導入すると、マルチフィジックスの応用範囲がはるかに広くなります。

用途に最適なソルバーによる電磁解析

CST Studio Suite の単一のユーザー・インターフェースにソルバーをシームレスに統合することで、任意の問題に対して最適なシミュレーション手法を容易に選択できます。シミュレーション手法を選択できることで、シミュレーションの性能が向上し、相互検証により、かつてないほどシミュレーションの信頼性が向上します。

高周波数ソルバー
低周波数ソルバー
マルチフィジックス・ソルバー
粒子ソルバー
EMC および EDA ソルバー

時間領域ソルバー

時間領域ソルバーは、有限積分法(FIT)と伝送線路線マトリックス法(TLM)の両方を 1 つのパッケージにまとめた、強力かつ汎用的な多目的過渡 3D フルウェーブ・ソルバーです。時間領域ソルバーは、1 回の実行で広帯域シミュレーションを行うことができます。ハードウェア・アクセラレーションと MPI クラスター・コンピューティングに対応しているため、非常に大規模で複雑、かつ条件が非常に細かいシミュレーションのソルバーに適しています。

時間領域ソルバーの用途は次のとおりです。

中～大規模モデルを使用した、一般的な高周波用途
過渡応答
3D 電子機器

周波数領域ソルバー

周波数領域ソルバーは、有限要素法(FEM)に基づく、強力な多目的 3D フルウェーブ・ソルバーです。多彩なコンポーネントで、優れたシミュレーション・パフォーマンスを発揮します。周波数領域ソルバーは、すべてのポートを同時に計算できるため、コネクターやアレイなどのマルチポート・システムをシミュレートする非常に効率的な手法でもあります。周波数領域ソルバーには、フィルターなどの共振構造のシミュレーションを高速化できるモデル次数削減(MOR)機能があります。

周波数領域ソルバーの用途は次のとおりです。

小～中規模モデルを使用した、一般的な高周波用途
共振構造
マルチポート・システム
3D 電子機器

漸近ソルバー

漸近ソルバーは、フルウェーブ・ソルバーが不要な、非常に大きな構造に対して効率的なレイ・トレーシング・ソルバーです。漸近ソルバーは、Shooting Bouncing Ray (SBR)法に基づいています。SBR は物理光学系の拡張で、数千もの波長の電気的サイズをシミュレーションできます。

漸近ソルバーの用途は次のとおりです。

電気的に非常に大きな構造
アンテナの設置性能
散乱解析

固有値モード・ソルバー

固有値モード・ソルバーは、Advanced Krylov Subspace 法(AKS)と Jacobi-Davidson 法(JDM)を組み込んだ、共振構造をシミュレートするための 3D ソルバーです。固有値モード・ソルバーの一般的な用途は、高共振フィルター構造、高 Q 粒子加速空洞、進行波管などの低速波構造です。固有値モード・ソルバーは感度解析をサポートしており、構造変形による離調効果を直接計算できます。

固有値モード・ソルバーの用途は次のとおりです。

フィルター
空洞
メタマテリアルと周期的構造

Filter Designer 3D

バンドパスおよびダイプレクサー・フィルターを設計するための合成ツールで、結合共振器ベースの任意の技術に適用するためのさまざまな結合マトリックス・トポロジーを生成します。また、アセンブリー・モデリングにより 3D フィルターを実現するための構成要素を選択することもできます。コンポーネント・ライブラリで、コムライン/櫛形同軸空洞と方形導波路のいずれかを選択できます。あるいは、任意のタイプのシングルモード技術(SIW や誘電体パックなど)のカスタマイズされた構成要素を定義することもできます。
提供される機能には、結合マトリックスの抽出が含まれます。そのマトリックスは、シミュレーション・モデルの最適化の目標値としても、ネットワーク・アナライザーを使用したリアルタイム測定による複雑なハードウェアのチューニングを支援するための目標値としても、そのまま使用できます。

Filter Designer3D の用途は次のとおりです。

さまざまな電磁技術(空胴、マイクロストリップ、誘電体など)に対応した相互結合フィルター
ハードウェアのフィルターの支援チューニング(ベクトルネットワークアナライザーリンクを用いて)

積分方程式ソルバー

積分方程式ソルバーは、3D フルウェーブ・ソルバーで、マルチレベル高速多重極展開法(MLFMM)を使用したモーメント法(MOM)に基づいています。積分方程式ソルバーは、面積分法を使用します。空の領域が多い大規模なモデルをシミュレートする際、完全な体積法よりもはるかに効率的です。積分方程式ソルバーは、構造によってサポートされるモードを計算する特性モード解析(CMA)機能を備えています。

積分方程式ソルバーの用途は次のとおりです。

電気的に大型のモデルを使用した高周波用途
設置性能
特性モード解析

マルチレイヤー・ソルバー

マルチレイヤー・ソルバーは、3D フルウェーブ・ソルバーで、モーメント法(MOM)法に基づいています。マルチレイヤー・ソルバーは面積分法を使用します。平面マイクロ波構造のシミュレーションに適合するよう最適化されています。マルチレイヤー・ソルバーは、構造によってサポートされるモードを計算する特性モード解析(CMA)機能を備えています。

マルチレイヤー・ソルバーの用途は次のとおりです。

MMIC
給電ネットワーク
平面アンテナ

ハイブリッド・ソルバー・タスク

ハイブリッド・ソルバー・タスクは、時間領域、周波数領域、積分方程式、漸近ソルバーをつなぎ合わせ、ハイブリッド型のシミュレーションを実行できるようにします。非常に広い周波数帯域が対象のシミュレーション・プロジェクトや、電気的に大きな構造で、かつ非常にきめの細かいディテールを対象としたシミュレーション・プロジェクトに対しては、異なる部分に異なるソルバーを使用することで、計算をより効率的に行うことができます。シミュレーションされた場は、場のソースを介してソルバー間で受け渡しされ、ソルバー間の双方向リンクを通じて、シミュレーションの精度を高めることができます。

ハイブリッド・ソルバー・タスクの用途は次のとおりです。

非常に大きな構造の小型アンテナ
EMC シミュレーション
複雑な環境におかれた人体のシミュレーション

静電ソルバー

静電ソルバーは、静電場をシミュレートするための 3D ソルバーです。電荷や静電容量が重要なセンサーなどの用途に特に適しています。ソルバーの速度は、電極や絶縁体などの用途に合わせて最適化するのに非常に有効であることも意味します。

静電ソルバーの用途は次のとおりです。

センサーとタッチスクリーン
動力設備
荷電粒子装置および X 線管

静磁場ソルバー

静磁場ソルバーは、静磁場をシミュレートするための 3D ソルバーです。磁石、センサーのシミュレーション、および過渡応答や渦電流が重要でない場合のモーターや発電機などの電気装置のシミュレーションに最適です。

静磁場ソルバーの用途は次のとおりです。

センサー
電気装置
粒子ビーム集束磁石

低周波 - 周波数領域ソルバー

低周波周波数領域(LF-FD)ソルバーは、低周波数系での時間調和挙動をシミュレートするための 3D ソルバーです。準静磁的(MQS)、準静電的(EQS)、フルウェーブの実装が含まれます。周波数領域効果を伴い、ソースがコイルであるシミュレーションの場合に最も効果を発揮します。

低周波周波数領域ソルバーの用途は次のとおりです。

センサーおよび非破壊検査(NDT)
RFID とワイヤレス電力伝送
パワーエンジニアリング - バスバーシステム

低周波 - 時間領域ソルバー

低周波時間領域(LF-FD)ソルバーは、低周波数系での非定常挙動をシミュレートするための 3D ソルバーです。準静磁的(MQS)と準静電的(EQS)の両方の実装が含まれます。MQS ソルバーは、渦電流、過渡応答、およびモーションや突入などの非定常効果を伴う問題に適しています。EQS ソルバーは、抵抗 - 容量の問題および HV-DC への応用に適しています。

低周波時間領域ソルバーの用途は次のとおりです。

電気装置および変圧器
電気機械 - モーター、発電機
パワーエンジニアリング - インシュレーター、バスバーシステム、スイッチング装置

定常電流ソルバー

定常電流場ソルバーは、装置を経由する DC 電流の流れ、特に損失の多いコンポーネントをシミュレーションするための 3D ソルバーです。このソルバーを使用して、DC または、渦電流や過渡応答が無関係なコンポーネントの電気特性を定義できます。

定常電流ソルバーの用途は次のとおりです。

高出力機器
電気装置
PCB 配電ネットワーク

CHT（共役熱伝達）ソルバー

共役熱伝導(CHT)ソルバーは、CFD 技術を使用して系内の流体の流れと温度分布を予測します。伝導、対流、輻射などのすべての熱伝導モードからの熱効果が含まれます。熱定常ソルバーおよび過渡熱ソルバーと同様に、電磁損失からの熱源を含めることができます。ファン、打抜金網、熱界面材料などの装置を直接モデル化できます。2 抵抗 CTM などのコンパクト熱モデル(CTM)も考慮できます。

共役熱伝導ソルバーの用途は次のとおりです。

電子機器の冷却: 以下のような高出力電子部品および装置の自然対流と強制対流
- PCB
- フィルター
- アンテナ
- シャーシ
以下のような冷却装置が取り付けられている物
- ファン
- ヒートシンク...

過渡熱ソルバー

過渡熱ソルバーは、時間に伴い変化する、系の温度応答を予測できます。熱源には、電界、磁界、電流、粒子衝突、人体熱、その他のユーザー定義ソースによって発生する損失を含めることができます。過渡熱ソルバーは、電磁界ソルバーと密接に関連しており、装置の非定常温度予測と、その結果としての電磁性能への影響を可能にします。

過渡熱ソルバーの用途は次のとおりです。

PCB、フィルター、アンテナなどの高出力電子部品および装置
医療機器とヒトの生体加熱

熱定常ソルバー

熱定常ソルバーは、定常系の温度分布を予測できます。熱源には、電界、磁界、電流、粒子衝突、人体熱、その他のユーザー定義ソースによって発生する損失を含めることができます。熱定常ソルバーは、電磁界ソルバーとシームレスに関連しており、装置の温度予測と、その結果としての電磁性能への影響を可能にします。

熱定常ソルバーの用途は次のとおりです。

プリント基板(PCB)、フィルター、アンテナなどの高出力電子部品および装置
医療機器とヒトの生体加熱

メカニカル・ソルバー

メカニカル・ソルバーは、構造の機械的応力と、電磁力と熱膨張による変形を予測します。電磁界ソルバーや熱ソルバーと併用して、装置に対する力と加熱が性能に与える影響を評価します。

メカニカル・ソルバーの用途は次のとおりです。

フィルターのデチューニング
PCB の変形
粒子加速器に対するローレンツ力

PIC（粒子セル）ソルバー

粒子セル(PIC)ソルバーは、粒子追跡のための、多用途なセルフコンシステント・シミュレーション手法です。空間電荷効果と、粒子と磁場の相互結合を考慮して、時間領域の粒子軌道と電磁場の両方を計算します。PIC ソルバーは、粒子と高周波数磁場の相互作用が重要な、多種多様な装置をシミュレートできます。もう一つの用途は、電子のマルチパクタ効果がリスクとなる高出力装置です。

PIC（粒子セル）ソルバーの用途は次のとおりです。

加速器の構成部品
低速波装置
マルチパクタ効果

Es - PIC（静電粒子セル）ソルバー

静電粒子セル(Es-PIC)ソルバー技術は、過渡的な手法で空間電荷の力学を計算し、追跡解析では無視される時間領域の挙動を捕捉します。Es-PIC は、静電効果のみを考慮して、時間に対する空間電荷を計算します。純粋な粒子セル(PIC)手法と比べ、電流および磁場が誘発されることはありませんが、時間スケールの大きな構造には非常に適しています。

Es - PIC（静電粒子セル）ソルバーの用途は次のとおりです。

プラズマ・イオン源
イオン化を伴う電子銃
低圧破壊解析

Trkソルバー

Trk (粒子追跡)ソルバーは、電磁場を通過する粒子の軌跡をシミュレートする 3D ソルバーです。Gun Iteration (電子銃反復)オプションにより、電場に対する空間電荷効果を考慮することができます。固定、空間電荷制限、熱電子、電場の放出などの何種類かの放出モデルを利用し、二次電子放出をシミュレートできます。

Trk (粒子追跡)ソルバーの用途は次のとおりです。

粒子源
集束およびビーム・ステアリング電磁石
加速器の構成部品

WAKソルバー

WAKソルバーは、線電流で表される粒子ビームの周囲の場と、周囲の構造の不連続性との相互作用によって生成される航跡場を計算します。

WAKソルバーの用途は次のとおりです。

空洞
コリメータ
ビーム位置モニター

PCB ソルバー

CST Studio Suite の PCB およびパッケージ・モジュールは、プリント基板(PCB)上でのシグナル・インテグリティ(SI)、パワー・インテグリティ(PI)、電磁両立性(EMC)解析のためのツールです。Cadence、Zuken、Altium の一般的なレイアウト・ツール用の強力なインポート・フィルターを提供することで、EDA 設計フローに統合します。共振、反射、クロストーク、パワー/グランド・バウンス、同時スイッチング・ノイズ(SSN)などの影響は、レイアウト前からレイアウト後まで、製品開発のどの段階でもシミュレートできます。

CST Studio Suite には、次の 3 種類のソルバーがあります。

2D 伝送線路法
3D 部分要素等価回路(PEEC)法
3D 有限要素周波数領域(FEFD)法

その他に、IR ドロップ、PI、SI 解析用の定義済みワークフローもあります

ルール・チェック

ルール・チェックは、EMC、SI、PI の設計ルール・チェック(DRC)ツールです。Cadence、Mentor Graphics、Zuken、ODB++ (Altium など)から一般的な基板ファイルを読み取ります。EMC または SI の一連の設計ルールと照らし合わせて PCB 設計をチェックします。ルール・チェックで使用されるカーネルは、よく知られているソフトウェア・ツール EMSAT です。
I/O ネット、電源/グランド・ネット、デカップリング・コンデンサーなど、EMC にとって重要なさまざまなネットおよびコンポーネントを指定できます。ルール・チェックは、重要なネットを一つずつ順に検査し、選択した EMC または SI の設計ルールに違反していないかどうかをチェックします。ルール・チェックの完了時に、EMC ルール違反をグラフィカルに表示させることも、HTML ドキュメントとして表示させることもできます。

ルール・チェックの用途は次のとおりです。

電磁両立性(EMC) PCB 設計ルール・チェック
シグナル・インテグリティおよびパワー・インテグリティ(SI/PI) PCB 設計ルール・チェック

ケーブル・ハーネス・ソルバー

ケーブル・ハーネス・ソルバーは、電気的に規模の大きい系の複雑なケーブル構造のシグナル・インテグリティ(SI)、伝導エミッション(CE)、放射エミッション(RE)、電磁感受性(EMS)を 3 次元で解析します。3D メタリックまたは誘電体環境でのケーブル・ハーネス構成向けに、高速で正確な伝送線路モデリング技術を採用しています。ケーブル・ハーネス・ソルバーとその他の高周波数ソルバーを組み合わせたハイブリッド・シミュレーションでは、複雑なケーブル・ハーネスを含む構造を 3D で効率的にシミュレートできます。

ケーブル・ハーネス・ソルバーの用途は次のとおりです。