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Franz Hirtenfelder, Ralf Ehmann CST - Computer Simulation Technology Problemangepaßte volumen- und oberflächenbasierte Lösungstechnologien in CST STUDIO SUITE

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Franz Hirtenfelder, Ralf Ehmann

CST - Computer Simulation Technology

Problemangepaßte volumen- und

oberflächenbasierte

Lösungstechnologien in

CST STUDIO SUITE™

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Schedule

■ Introduction:

Solver in CST MICROWAVE STUDIO®

■ Periodic Structures in MWS

■ Filter Analysis in MWS

■ Large Structures in MWS

■ Summary

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CST STUDIO SUITE™ Products Inside

DC kHz MHz GHz THz

CST EM STUDIO™ CST MICROWAVE STUDIO®

CST DESIGN STUDIO™

CST PARTICLE STUDIO™

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CST MICROWAVE STUDIO® Some selected Application Areas

• Classical MW

– Waveguide, Antenna, Filter, Coupler, Balun,

Splitter, Cavity, Connector

• EMC/EMI

• SI

• FSS, RCS

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CST MICROWAVE STUDIO®

Solver

General Purpose Solver 3D-Volume

Transient

• Large problems

• Broadband

• Arbitrary time signals

Frequency

Domain

• Narrow band / single frequency

• Small problems

• Periodic structures with Floquet port modes

Special Solver 3D-Volume: Closed Resonant Structures

Eigenmode • Strongly resonant structures, narrow band

• Cavities

FD

Resonant • Strongly resonant, closed structures

Special Solver 3D-Surface: Large open metalic structures

Multi-Level

Fast Method

of Moments

• Large Structures

• Dominated by metal

Resonant

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General Purpose Solvers Time Domain – Frequency Domain

IN

OUT

Frequency Domain

y(t) Y(w)

x(t) X(w)

Time Domain

IN

OUT

Transfer (TDR) S-Parameter

Frequency Domain calculation

IN

OUT

Transfer S-Parameter

Y(w)

X(w)

IN

OUT

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Transient Analysis Comparison: PBA - Staircase

Cpu: 2 min, 30 sec

CPU: 24min, 26sec

PBA

Staircase

|S11| in dB

|S11| in dB

-20

-40

-60

-80

-20

0

0 2 6 8 f / GHz

0 2 6 8

-20

-40

-60

-80

-20

0

f / GHz

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Comparison Transient-PBA, Transient-Staircase, Frequency Domain

Solution Technique CPU - Time

Transient PBA 2 minutes, 30s

Frequency Domain 3 minutes, 36s

Slower than PBA: 1.44

Transient Staircase 24 minutes, 26s

Slower than PBA: ~10

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Periodic Structures Typical application for Frequency Domain Solver

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5

freq (GHz)

S2

1 (

dB

)

FSS-Surfaces

Bandpass- / Bandstop Behaviour

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Periodic Arrays

Frequency Selective Surfaces (FSS)?

Periodic assemblies of identical elements arranged in a

one- or two-dimensional array.

These periodic structures are either an array of

apertures in a thin metallic sheet or metallic patches

on a dielectric substrate

Dx

Dy

w

Rin t

g

s

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Applications

(Photo by Kockums AB).

Rapidly retractable antennas, some of

which are concealed behind frequency

selective surfaces (FSS)

Ghost ships

FSS Radomes

FSS horns and waveguides

and reflector antennas

Multi-channel

radiometer filters Stealthy wallpaper to

block Wi-Fi signals

Optically tunable FSS

arrays on Si

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Conducting and Aperture arrays

Complimentary Arrays

Combination of conducting and aperture arrays of

similar shape when put one on top of each other forms

a “complete” perfectly conducting plane

Band Stop Band Pass

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Passive and Active arrays

Methods of Excitation

Fundamentally any periodic array can be excited in two

ways:

Incident Plane wave Ēi (passive array)

Individual Generators connected to each elements

(active array)

For an active array the voltage generators must have the

same amplitude and a linear phase variation across the

active array in order to qualify as a periodic array

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The unit cell

Dx

Dy

unit cell

The unit cell can be defined as the basic building

block (can be an arbitrary resonant shape) of the

array that repeats itself infinitely defined by the

periodicity Dx, Dy and the angle in-between

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CST STUDIO SUITE™ Solvers

• Time Domain

– 0 phase between elements

• Frequency Domain

– Arbitrary phase between elements

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Periodic Setup in MWS

Single Element modelled in MWS

Periodic Unit Cell boundaries in MWS

Tetrahedral mesh for the F-Solver in MWS

angle

S1

S2

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Excitation Ports: Floquet Mode Setup

TE00

TM00

TE11

TM11

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Transmission coefficient

In-band (transmission through)

Out of band ( No transmission) Out of band ( No transmission)

S p

ara

mete

r m

agnitude(d

B)

λ resonance 2λ resonance

E field animation at 1GHz E field animation at 10GHz

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Coupling modes & Casacaded arrays

Pass Band

Cascaded arrays give higher

BW and the separation allows

to control the roll-off rate

E

E

E

Coupling TE and TM modes by nesting rings allow

for dual polar dual frequency filters to be designed

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Example: Wideband Tripole AFA

Antenna

Antenna

Filter

3 layer FSS setup

Example provided by Ryan W. Davies, Ivor L. Morrow

DCMT, Cranfield University

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Infinite Dipole Array

• converged after 3 adaptive passes – 6480

tetrahedral mesh cells

• Total run time - broadband frequency

sweep with 10 frequency samples 23 mins.

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Conical finite array

Printed dipole elements on a sector with polar

periodicity of 12.85°

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Conical finite array modelling

circular waveguide

Dipole dimensions

l=7.7mm, w=0.35mm

polar periodicity=12.85 degree

0.1mm thick substrate

with low loss ( tan=0.0001)

open boundaries

electric wall (Et=0)

magnetic wall (Ht=0)

z

y

x

• Computational effort greatly reduced by

symmetry boundary conditions/PBA (total of 2

million mesh cells)

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Conical finite array modelling

S-Parameter in dB

-20

-24

-28

12 15 19

f in GHz

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Small horn with ring elements

FSH ring elements give

higher gain values for a horn

aperture much smaller than

of the dipole array presented

earlier

S-Parameter in dB

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Solver Selection

Meshing Techniques

Accuracy

Tuning Hints

Examples

Filter Simulation

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Time Domain (TD) Frequency Domain (FD)

Eigenmode (E)

Modal (Resonant Fields)

Lossy/Lossless

Solver Selection

Resonant: Fast S-parameter (MOR)

General Purpose

Resonant: S-Parameter, Fields (Modal Analysis)

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Extremly small variations of tuning elements: require small mesh steps and thus long run times

PBA helps greatly to keep number of mesh cells low,

Resonances requires long run times, AR Filter settings critical

Solver Selection: Time Domain

1h 52 min (2.7 GHz PC)

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Robust and fast solver

for filters and

highly resonant structures

Solver Selection: Resonant Fast S-Param.

12 min (2.7 GHz PC)

Resonant Fast S-Parameter Solver Advantages:

• PBA inside

• lossy dielectrics

• insensible to high mesh ratios, small mesh steps

• handle S-parameters for port modes under cutoff (required for submodeling in CST DS)

1 2 3 4

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f3

f2

f1

fo

f4

f5

f6

K34= (f4-f1)(f6-f3)/K12=

=(1767-1735)(1791-1708)/66= 40.24MHz

Terminology: Coupling Bandwidth

Solver Selection: Eigenmode

Even/Odd Mode Multi Eigenmode

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2. Tuning Step

30 Lines/Lambda = 51000 cells

TD (AR) Solver time: 256 s

Resonant (MOR) Solver 91 s

Accuracy: PBA

slight readjustedment of

only one parameter

by 0.0125mm!!

1. Adaptive mesh refinement

of untuned filter

3. Increased mesh density to 50 Lines/lambda

Resonant (MOR) Solver 414 s

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89.000 Cells. 2.5 min

(1.7 GHz Laptop) 384.000 Cells. 27 min

600.000 Cells. 46 min

Mesh density was increased:

Results did not converge to the PBA-results

1.050.000 Cells. 1h 15 min

(all MOR Solver, 1.7 GHz Laptop) 5Mio , 2.5 h

Accuracy: Staircase

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1)

1) 1) TD -FD Show

same curve

Refined mesh (convergend solution) 2)

2) 3) Tetra

1) TD vs FD must show same

results

2) PBA (Hexa) shows

convergence very early.

(Refinement doesn‘t change

solution anymore).

3)Tetra converges towards

higher frequencies.

Convergence using different Mesh types and Solvers

Accuracy: Hexa-Mesh vs. Tetra-Mesh

3)

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Convergence check using Tetra Mesh

3 adaptive points to

generate a refined mesh

according to the appearance

of the various modes!

Inital and final mesh after 5 passes

Accuracy: Hexa-Mesh vs. Tetra-Mesh

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Shape of groupdelay practically identical between Hexa and Tetra mesh.

Deviation of Tetra results due to facetting: the resonators appear

smaller in size and thus shifts groupdelay towards higher frequencies

Check of Groupdelay Hexa vs. Tetra Mesh

Accuracy: Hexa-Mesh vs. Tetra-Mesh

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Filter Tuning: Submodels

Tuning of a Combline Filter

(Cross coupling)

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Lowpass filter min

Only two types of submodels are required to completely describe the filter

Filter Tuning: Submodels

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Tuning of a Dual Mode Filter

Filter Tuning: Groupdelay, Examples

Iris Coupled Cavity Filter

Hairpin Filter

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Mistuned 2nd Resonator

2nd Resonator mistuned

1st Resonator OK 3rd Resonator

The Inverse Chirp-Z Transformation

Mistuned Coupling K12

(between Resonator 1 and 2)

K12

increased

1

2

4 x x

Filter Tuning: Inverse Chirp-Z

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Physically Large Structures (>>λ) Time Domain Solver or MLFMM Solver

Electric field of ETC & car antenna at 900 MHz

Directivity at 900 MHz

ETC antenna

car antenna

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New MLFMM Solver

Discretization by Method of Moments

„Open“ formulation

Surface mesh only (triangles)

Much less elements than volume methods

Dense matrices

Every element couples to

all other elements

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New MLFMM Solver

MLFMM scales very good for large problems (>> )

O(N log(N))

Iterative solution only (matrix does not exist)

Features of first version

Surface triangles

1st, 2nd and 3rd order elements

PEC and dielectrics (loss free & lossy)

Delta gap source, plane wave

Direct and iterative solvers (MLFMM)

S-parameters, farfields, surface current

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Summary

• Solver Suite in CST MICROWAVE STUDIO

– Time Domain

– Frequency Domain

– Fast resonant

– Eigenmode

– MLFMM

– Coupled with CST DESIGN STUDIO

• .... applied to

– Filter applications

– Periodic structures

– Large structures (>> λ)