新建CST工程，贴片天线仿真

• CST-Studio-Suite 是面向3D电磁、电路、温度和结构应力设计工程师的一款全面、精确、集成度极高的专业仿真软件包。包含八个工作室子软件，集成在同一用户界面内，为用户提供完整的系统级和部件级的数值仿真优化，覆盖整个电磁频段，提供完备的时域和频域全波电磁算法和高频算法。典型应用包含电磁兼容、天线/RCS、高速互连SI/EMI/PI/眼图、手机、核磁共振、电真空管、粒子加速器、高功率微波、非线性光学、电气、场路、电磁-温度及温度-形变等各类协同仿真。

新建CST天线仿真工程模板

1. 安装并启动软件后，我们会看到如下的开始引导界面。
   
2. 点击Porject Template，选项打开工程模板向导。此时，会出现5个模板向导，从12点钟方向顺时针分别是：微波与射频/光仿真，电子设计自动化(EDA)与电子学仿真，电磁兼容性仿真，粒子动力学仿真，静态或低频仿真。- 选择MICROWAVES & RF/OPTICAL选项，并在右侧选择Antennas，并点击Next，进入天线仿真模板。
   
3. 这时向导提示我们选择所需的工作流程，由于我们要进行贴片天线的仿真，则选择Planar(Patch,Slot,etc.)平面天线选项，点击Next，进入下一步。
   
4. 此时会提示我们想要使用的求解方法，是时域、频域还是多层次的混合求解方式。此处，我们选择Time Domain时域求解方法选项，点击Next，进入下一步。
   
5. 接着会弹出单位选择界面，让我们选择想要使用的默认单位，如长度用mm，频率用GHz，时间用ns，温度用K等。此处保持默认选项即可，点击Next，进入下一步。
   
6. 接着会让我们选择仿真的频段与需要使用的监视器，此处，我们设置最低频率Frequence Min为1.8GHz，最高频率Frequence Max为2.4GHz，监视器选择E-field电场，H-field磁场、Farfield远场。此时，在Define at会自动生成1.8;2.1;2.4，即仿真器会自动在这三个频点上进行仿真，如果我们觉得不够密集，则可进行手动修改添加。此处我们使用默认生成的参数，点击Next，进入下一步。
   
7. 最后会弹出一个Summary界面，会对我们前面所作的所有选择进行展示，用于我们复核参数设置，如发现存在问题，则可以点击Back返回先前步骤重新进行设置；如没有问题，则可以点击Finish结束模板向导。
   

绘制天线模型

1. 向导会自动帮我们生成一个工作界面并添加对应约束。其中，立方体为空气盒子，外部边界则为吸收边界。鼠标右键选择Rotate，此时，我们按住鼠标左键可以旋转三维坐标轴，按住鼠标中键可以平移中心原点，鼠标滚动滚轮可以进行放大与缩小。
   
2. 点击Modeling一级选项，进入模型绘制选项，我们可以选择Import/Export选项，从外部导入用其他建模软件已建立好的模型，或者可以导出在CST软件内已建立好的模型；也可以使用CST内自带建模功能进行建模。此处我们使用Shapes二级选项下的建模选项建立一个贴片平板天线。
3. 首先，我们先建立一个PCB介质基板的外形图，选择Shapes二级选项下的立方体建模按键，此时会提示，双击确定立方体的第一个点（按压ESC显示会话窗口），此处我们按下ESC。
   
4. 接着会自动弹出一个Brick会话窗口，我们设置Name为substrate；对于长宽高的设置方面，我们采用参数化建模，将Xmin设置为-lx/2，Xmax设置为lx/2，Ymin设置为-ly/2，Ymax设置为ly/2，Zmin设置为0，Zmax设置为ts；在Material选项中，我们选择板材材质，展开选项选择Load from Material Library，可以打开材质库，内部提供了常用的板材材质，此处我们选择板材为Rogers RT5880(loss free)。若材质库中没有我们所需要的板材，也可以在Material选项中选择New Material...，输入介电常数等参数，新建板材类型。
   
5. 点击OK确认按键后，会弹出New Parameter窗口，这是由于刚刚在建模时我们采用了参数化建模的方式，但还未对我们所定义的lx、ly、ts赋予初值。在此处，我们令lx=100，ly=100，ts=2。
   
6. 完成以上配置后，我们可以看到在界面中自动生成了一个PCB介质基板，在下方的Parameter List界面中，也能看到我们刚刚定义的三个常量。
   
7. 接着，我们再用同样的方法，绘制贴片天线的部分。选择Shapes二级选项下的立方体建模按键，设置
   Name为patch；将Xmin设置为-a/2，Xmax设置为a/2，Ymin设置为-b/2，Ymax设置为b/2，Zmin设置为ts，Zmax设置为ts+tm(此处需要注意，由于贴片天线部分位于PCB板正面，故起始厚度为ts，天线厚度为tm)；Material设置为PEC；令a=38.6，b=38，tm=0.035。点击确认，可以看到在PCB基板的中心，自动生成了我们设计的贴片天线。
   
8. 接着，使用同样的方法，进行贴片天线馈线的绘制。选择Shapes二级选项下的立方体建模按键，设置
   Name为line；将Xmin设置为-lx/2，Xmax设置为-a/2，Ymin设置为-w/2，Ymax设置为w/2，Zmin设置为ts，Zmax设置为ts+tm；Material设置为PEC；令w=1.46。__ 需要注意，此处的w数值，应为根据该PCB基材与铜厚，所计算出的50Ω阻抗传输线的线宽，这样才能保证该天线馈线与馈线端口的阻抗相匹配，不会再馈线端口处存在反射。 __ 点击确认，可以自动生成了我们设计的贴片天线馈线。
   
9. 我们还需对天线的地平面进行绘制，我们将视角翻转至PCB的背面，并按下F键，此时，鼠标移动碰触到的面会变为红色，我们将鼠标移动至PCB基板底面并双击，此时底面会变为红点马赛克状态，即已选中底面，这时候，点击Shapes二级选项下的拉伸面。
   
10. 按下按键后，会自动弹出Extrude Face界面，我们设置Name设置为ground，Height设置为tm，Material设置为PEC，点击OK进入下一步。
    
11. 此时，我们就完成了对天线模型的建立，如果要对天线的相关尺寸进行调整，则我们只需要在下方的Parameter List界面中修改常量的数值即可。

馈电端口设置

1. 将视角旋转并放大至天线馈线的截面处，按下F键，双击选择天线馈线截面。接着，点击Simulation一级菜单，选择Waveguide Port选项。
   
2. 在弹出的Waveguide Port窗口中，我们对馈电端口进行配置，一般我们设置馈电端口截面在左右两侧和上方，分别偏移3倍板层厚度；馈电端口下方偏移1倍板层厚度(由于底面为地平面，故将馈电端口底面紧贴地平片)。在Position选项中，设置Ymin，Ymax，Zmax偏移3*ts，Zmin偏移偏移ts，点击OK确认。
   
3. 此时，可以看到馈电端面已自动生成。
   

检查仿真设置

• 虽然我们在一开始使用工程模板向导时已经进行了仿真参数的设置，但建议在仿真前仍需进行一次手动复合。

1. 选择Simulation - Settings - Frequence选项，设置仿真频率范围。
   
2. 选择Simulation - Settings - Background选项，检查环境背景材质。
   
3. 选择Simulation - Settings - Boundaries选项，检查边界条件。
   
4. 选择Simulation - Mesh - Mesh View选项，可以查看仿真网格的细分情况，如果觉得当前的网格分割不够细致，可点击Mesh - Mesh Control - Global Properties，对网格的细分进行设置。
   
5. 完成以上检查后，即可点击Home - Simulation - Start Simulation选项，进行仿真，在右下方会实时显示仿真进度。
   

仿真结果查看

1. 点击左侧1D Result - S-Parameters - S1,1，可以查看天线的S参数。可以看到，我们设计的贴片天线在2.45-2.5GHz附近时反射损失最小，约为-5.5dB。可以判断，所设计的天线频段在2.45-2.5GHz附近，仍需要进行微调；天线在中心频率下仍有较大的反射，对天线馈线的阻抗也需进行进一步的调整。
   

S参数将元器件描述成一个黑盒子，并用来模拟电子元器件在不同频率下的行为。S11表示Port1量反射损失(Return Loss)，主要是观测发送端看到多大的信号反射成分，数值越接近0越好(越低越好，一般-25~40dB)，表示传递过程反射越小，也成为输入反射系数(Input Reflection Coefficient)。S21表示讯号从Port1传输到Port2过程的馈入损失(Insertion Loss)，主要是观测接收端讯号剩多少，数值约接近1越好(0dB)，表示传输过程损失越小，也成为顺向穿透系数(Forward Transmission Coefficient)。

2. 点击左侧1D Result - Power - Excitation，可以查看到该天线设计在不同频率下各功率情况。对馈电端面施加以一固定功率，可以看到不同频率下，各端口对功率的吸收，反射，辐射等信息。
   
3. 点击左侧2D/3D Results - E-Field/H-Field/Surface Current/Power Flow，可以查看天线的电场/磁场/电流/功率分布情况。此处以2D/3D Results - Surface Current - surface current(f=2.3)为例进行说明，能够在图中看到天线上电流的分布情况。若觉得示意的箭头大小与密度影响观看感受，可点击Properties进行调整；若想查看电流的动态变化情况，可点击Animate Fields按钮，则会自动循环播放电流随时间变化的动画效果。
   
4. 点击左侧Farfields - Farfield Cuts - Excitation - Phi=0/Phi=90/Theta=90可以查看分别在三个不同剖面下的天线方向图，此处以Phi=90为例，进行展示，可以看到，3个不同仿真频段下的极坐标方向图。
   
5. 在此界面下，点击Plot Type - 1D - Certesian，可查看直角坐标下的方向图。默认显示的是0_{180°的方向图，如想查看从-180}180°的方向图，可选择Properties选项，在弹出的Farfield Plot窗口中，勾选Plot range for polar angles 360 degree选项和Plot range -180..+180 degree选项，点击OK，即可看到-180~180°的方向图。
   
6. 如果想查看天线的3D方向图，则可点击Farfields - farfield选项进行查看。
   

微调天线中心频率参数

1. 我们发现，我们所设计的天线，中心频段和我们设想的频段还有所偏差，故需要对天线的相关参数进行调整。由于在建模阶段我们采用了参数化建模的方式，故可以选择Home - Simulation - Par.Sweep选项，点击New Seq.，会自动生成Sequence 1，接着点击New Par...，会弹出Parameter Sweep Parameter窗口，设置Name为a，Type为Linear sweep，From值为41，To值为43，Samples值为6，点击OK，接着，点击Start，即可开始仿真。
   
2. 接着会弹出一个Result may Get Incompatible With Modle窗口，提示我们重新开始仿真可能会删除掉先前的仿真结果，让我们选择是否需要删除当前的结果并进行仿真，选择第一个选项，点击OK，便会开始仿真，并会保留先前的仿真结果。若希望删除先前的仿真结果，则也可以选择Post-Processing - Manage Results - Delete Results选项，进行删除。
   
3. 等待仿真完成，我们再次点击左侧的1D Result - S-Parameters - S1,1，查看S参数，可以看到，当a的长度为41.8mm时，天线的中心频段基本落在了2.3GHz。故将原有的参数a调整为41.8，完成对天线中心频率的调整。
   

参考资料：
CST快速入门——贴片天线