在電磁仿真領(lǐng)域，CST（ComputerSimulationTechnology）是射頻、微波、天線(xiàn)設(shè)計(jì)的主流工具。建模時(shí)，坐標(biāo)系選擇影響效率與精度——圓柱形、環(huán)形等旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)（如同軸電纜、環(huán)形天線(xiàn)）用直角坐標(biāo)系需反復(fù)調(diào)參保對(duì)稱(chēng)，而極坐標(biāo)（r/θ/z）建模通過(guò)“半徑、角度、高度”直接描述，大幅簡(jiǎn)化操作。本文明確CST極坐標(biāo)建?？尚行裕斀饬鞒?、場(chǎng)景及要點(diǎn)。

 

 

 

一、CST極坐標(biāo)建模的可行性與優(yōu)勢(shì)

CST完全支持極坐標(biāo)建模，且對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)勢(shì)顯著。

CST核心模塊（如微波工作室、電磁工作室）支持多坐標(biāo)系切換，除直角坐標(biāo)系外，還含極坐標(biāo)（柱坐標(biāo)，三維延伸，新增z軸）、球坐標(biāo)。極坐標(biāo)以“徑向距離（r）、環(huán)繞角度（θ）、軸向高度（z）”為參數(shù)，天然適配繞z軸旋轉(zhuǎn)后形狀與屬性不變的結(jié)構(gòu)。

相比直角坐標(biāo)系，優(yōu)勢(shì)有三：

1. 簡(jiǎn)化幾何描述：無(wú)需重復(fù)繪制圓周相同結(jié)構(gòu)（如環(huán)形天線(xiàn)輻射單元），定義單個(gè)“扇區(qū)單元”r/θ/z參數(shù)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)復(fù)制或角度范圍設(shè)為完整結(jié)構(gòu)；

2. 保證對(duì)稱(chēng)精度：避免手動(dòng)對(duì)齊導(dǎo)致的偏差，通過(guò)“角度步長(zhǎng)”“旋轉(zhuǎn)中心”精準(zhǔn)控對(duì)稱(chēng)，減少誤差；

3. 提升計(jì)算效率：結(jié)合“2.5D仿真模式”，僅算一個(gè)扇區(qū)再擴(kuò)展至全結(jié)構(gòu)，減少網(wǎng)格與計(jì)算時(shí)間，兼顧精度。

 

 

 

二、CST極坐標(biāo)建模實(shí)操流程

以CST微波工作室“圓柱形介質(zhì)諧振器天線(xiàn)”（5G毫米波常用，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)）為例，分五步建模：

1.新建工程與坐標(biāo)系切換

l打開(kāi)CST微波工作室，“File→New”選“Microwave&RF→Antenna”模板，命名工程（如“Cylindrical_DRA_Polar”）；

l默認(rèn)直角坐標(biāo)系，點(diǎn)擊“Modeling→CoordinateSystem→Cylindrical(r,θ,z)”切換，工作區(qū)變?yōu)閞軸（徑向）、θ軸（圓周）、z軸（軸向）；

l（可選）“Edit→Units”設(shè)單位（如介質(zhì)諧振器直徑10mm，選“mm”“GHz”）。

 

2.定義結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)

天線(xiàn)核心含“金屬地板”“介質(zhì)諧振器”“同軸饋源”，均旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)，極坐標(biāo)參數(shù)如下：

l金屬地板：r=15mm（大于諧振器半徑避邊緣效應(yīng)），θ=0°~360°，z=0~0.035mm（銅質(zhì)）；

l介質(zhì)諧振器：r=5mm，θ=0°~360°，z=0.035~6mm（Al?O?，εr=9.8，tanδ=0.0001）；

l同軸饋源：內(nèi)導(dǎo)體r=0.5mm，θ=0°~360°，z=-5~0mm（銅）；外導(dǎo)體r=2mm，θ=0°~360°，z=-5~0mm（銅，內(nèi)、外間填PTFE，εr=2.1）。

 

3.創(chuàng)建幾何模型

通過(guò)“Modeling→Primitive→Cylinder”工具創(chuàng)建：

l金屬地板：設(shè)Radius=15mm、Angle=0°~360°、Height=0~0.035mm，Material選Copper；

l介質(zhì)諧振器：Radius=5mm、Angle=0°~360°、Height=0.035~6mm，新建Al?O?材料并選擇；

l同軸饋源：內(nèi)導(dǎo)體（Radius=0.5mm，Height=-5~0mm，Copper）、外導(dǎo)體（Radius=2mm，Height=-5~0mm，Copper）、填充介質(zhì)（Radius=0.5~2mm，Height=-5~0mm，PTFE）。

 

4.邊界條件與激勵(lì)設(shè)置

結(jié)合旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)優(yōu)化，避免破壞對(duì)稱(chēng)：

l邊界條件：z軸設(shè)“Axisymmetric”（旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)邊界，啟2.5D模式）；r方向設(shè)“Open”（開(kāi)放邊界）；z軸底部（金屬地板下）設(shè)“PerfectE”（接地）；

l激勵(lì)：饋源底部（z=-5mm）設(shè)“WaveguidePort”，選“Coaxial”類(lèi)型，自動(dòng)識(shí)別導(dǎo)體與填充介質(zhì)。

 

5.仿真與結(jié)果驗(yàn)證

l點(diǎn)擊“Simulation→Start”，CST自動(dòng)用2.5D算法算θ=0°~1°扇區(qū)再擴(kuò)展，計(jì)算時(shí)間比直角坐標(biāo)系短50%以上；

l查S11參數(shù)（≤-10dB覆蓋目標(biāo)頻率如28GHz）與輻射方向圖（軸對(duì)稱(chēng)），驗(yàn)證建模準(zhǔn)確性。

 

 

 

三、適用場(chǎng)景與限制

1.適用場(chǎng)景：旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)

l射頻/微波器件：同軸電纜、圓柱形濾波器、環(huán)形耦合器；

l天線(xiàn)設(shè)計(jì)：圓柱形介質(zhì)諧振器天線(xiàn)、環(huán)形天線(xiàn)、部分螺旋天線(xiàn)、圓柱形雷達(dá)罩；

l高頻結(jié)構(gòu)：圓柱形波導(dǎo)、同軸諧振腔、衛(wèi)星通信旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)部件。

 

2.限制：非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)不適用

矩形微帶天線(xiàn)、非對(duì)稱(chēng)功分器、不規(guī)則屏蔽罩等無(wú)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，極坐標(biāo)需多扇區(qū)拼接，操作比直角坐標(biāo)系復(fù)雜，建議優(yōu)先用直角坐標(biāo)系。

 

四、關(guān)鍵注意事項(xiàng)

1. 旋轉(zhuǎn)軸選擇：默認(rèn)z軸，若繞x/y軸對(duì)稱(chēng)，先“Modeling→CoordinateSystem→Rotate”調(diào)目標(biāo)軸為z軸；

2. 角度范圍設(shè)置：全圓周設(shè)0°~360°，扇區(qū)（如1/4圓環(huán)）設(shè)0°~90°，角度步長(zhǎng)（如1°）需匹配網(wǎng)格精度；

3. 材料與邊界對(duì)稱(chēng)：確保材料屬性（介電常數(shù)、電導(dǎo)率）與邊界條件沿旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)，非對(duì)稱(chēng)介質(zhì)加載需拆分扇區(qū)，極坐標(biāo)優(yōu)勢(shì)減弱；

4. 網(wǎng)格優(yōu)化：r方向網(wǎng)格隨r增大放寬（避原點(diǎn)過(guò)密），θ方向均勻（如每5°一網(wǎng)），保網(wǎng)格連續(xù)。

 

CST支持極坐標(biāo)建模，對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)有“簡(jiǎn)化操作、保精度、提效率”優(yōu)勢(shì)，按“切換坐標(biāo)系→定義參數(shù)→建?！O(shè)邊界激勵(lì)→仿真驗(yàn)證”流程，可高效完成同軸器件、對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)建模。需注意僅適用于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)仍用直角坐標(biāo)系。

 

掌握此技能，能提升5G毫米波、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)器件設(shè)計(jì)效率，是電磁仿真的實(shí)用工具?？山Y(jié)合具體結(jié)構(gòu)參數(shù)（如天線(xiàn)尺寸、頻率）進(jìn)一步優(yōu)化流程。