如何在保证仿真精度的情况下，提高仿真速度——CST仿真算法选择
如何在保证仿真精度的情况下，提高仿真速度
——CST仿真算法选择
题记
去年参加CST2012发布会的时候，听到张敏教授做的讲座，开始主要到使用CST的时候要根据不同的应用场合灵活的选择CST中的各种仿真算法，不要一味的时域强攻。
前一些日子，用CST仿真一种鳍线结构的波导微带转换，因而需要仿真得到相应的S参数和结构中的电磁场、电流分布。各种CST算法基本上都尝试了一遍，但是仿真速度还是过慢，最后被迫采用了HFSS仿真。
现在对张教授的话深有感触了，下面把各种算法的仿真时间，精度与大家分享下，希望能够集思广益，讨论下不同的电磁结构应该在CST中应该用什么算法仿真。
当然，更广泛的讨论就是什么情况下用哪种电磁仿真软件，如CST、HFSS、Feko等。
交代下各算法比较的共同点
1.结构相同
2.默认设置，不管频域算法还是时域算法全部是自适应网格加密，Pass数默认，收敛精度默认。
一、各个算法仿真时间比较
算法
简称
仿真时间
频域算法
General Purpose, TetrahedralMesh, Accuracy 1e-4
F
2H37M（delta7500,16核，CPU占用50%）
General Purpose，TetrahedralMesh，Use Broadband Frequency Sweep, Accuracy 1e-4
FB
41S（普通电脑，双核，4G）
Resonant：FastS-Parameter, Accuracy 1e-4
FF
跟结构有关系，谐振少收敛快的速度就快，这里跟F一样慢
Resonant：FastS-Parameter，Field, Accuracy 1e-4
FFF
貌似跟F一样慢，直接cancel了，没等它跑完（delta7500,16核，CPU占用50%）
时域算法
No AR-Filter
T
> 10h（delta7500,16核，CPU占用50%）
AR-Filter
TAF
>10h（delta7500,16核，CPU占用50%）HFSS Fast Sweep仿真时间<1M（普通电脑，双核，4G）,
CST中唯一比较能够接受的是FB，但是精度。看下面吧。
二、各算法仿真精度比较
仿真精度：F（红）,FF（蓝）,T（绿）
S21：
S11：
由上图可以看出时域算法与普通频域算法，计算结果非常接近，因而是可信的。但Fast频域算法误差太大，不适合该模型（该模型中包含色散介质）。
为了验证HFSS仿真的精确性，下面对相同的结构分别用HFSS和CST T进行了仿真并且对结果进行了比较
Note:上面比较的是back to back结构，这里比较的是only half结构
曲线大部分非常接近，可以认为仿真有效。
三、补充和思考
1.CST中FF算法仿真速度非常快，只运行一次频域计算，就能反演出整个频带上S的参数；这一点跟HFSS的Fast Sweep很想，但是仿真精度无法比拟。当然，这也跟FF的应用条件有关系，其不能用于非PEC金属和色散介质的仿真，这里面的电路板覆铜是有耗金属，基板是色散材料，因而仿真精度无法保证。
2.CST中F算法并没有给出默认取多少点合适，我这里取的是20个点。FB算法比F算法相比，优点是如果S参数曲线能够较快收敛，可以从很少的频域采样点反演出整个频带内的S参数。个人比较喜欢采用，但是，非常不幸的是这里的仿真跑完20个点也没有收敛。
3.CST中FFF存在的意义不知道是什么，反正这里一点没看出仿真时间会减少。
4.CST中T算法很强大，但是仿真这种存在谐振的结构的时候，一个是比较慢，另一个就是生成的曲线通常都有波纹（我知道增大脉冲时间，理论上能消除波纹，时间等不起）。但是个人对其精度比较放心（出于用的最多，最熟练吧），常作为与其他算法比较的参考。
四、不同电磁仿真软件的使用
首先，声明纯属个人感觉，不敢保证绝对正确，外加自己才疏学浅，目前只用过CST、HFSS、Feko这三个。
这里所说的仿真尺寸是对一般的4G及以下的普通电脑，不是服务器。
1.一般尺寸（10个波长量级左右及以下）物体的电磁仿真，出于精度考虑，一般用HFSS、CST。强谐振的被迫用HFSS，一般的个人喜欢用CST。
2.电大尺寸（10个波长以上）物体的电磁仿真，Feko比较合适。虽然以前用CST的I-solver能够算到20个波长左右，但是时间要比Feko长Ｎ倍，N>>10．CST的Ａ-solver可以算50个波长以上，但是结果不敢相信，起码不适合反射面天线的仿真。
HFSS的FAST对于宽带的东西还是算了吧。显然不准，分段扫描靠谱些；
CST对宽带的东西很准，趋势最起码很准
小编提到，CST的高频！A求解器结果不准，本人不能认同
A求解器用的是PO算法的拓展版本SBR算法，其实Grasp等业界公认的反射面仿真工具也是用了非全波的PO、GO等算法，岂不是他们的结果也不能相信了?
首先要澄清一点，我没有深入研究过计算电磁学，绝不敢随便怀疑已经存在N久的PO、GO等算法，但是每种算法都有其应用条件的，这个我可能没有阐述清楚。
A-Solver用的SBR，这个是CST help中所写，没问题。你所说是PO算法的拓展版本，多谢指教了。下面我从两个方面来说明我的观点：
1.理论分析
在CST中对其应用条件有极其严格的限制，1只能用于PEC和表面阻抗结构；2.“Despite its limitations, it may often be the first choice for electrically very large problems which are difficult to handle by using any other simulation technique. ”也就是说，只有当其他算法都无法处理的时候，才被迫用A-Solver。因而，我们可以知道，相对于其他算法其精度比较低。
2.使用体会
以前用A-Solver求解一个100波长*200波长量级（普通计算机）的反射面天线，得到的远场方向图非常尖锐，只有主波束方向的能量，不像普通的天线方向图存在辐射较低的方向，且这些方向存在各种波动。给人的感觉有点像GO，而不是PO算法，因为其方向图跟用Tracepro仿真的结果非常接近。而且，A-Solver只能查看远场方向图，无法查看一定距离面上的电磁场分布。
Feko中的PO算法计算得到的明显可以看出主瓣、后瓣，并且可以像T-Solver一样查看一定距离面上的电磁场分布。
因而，对于像反射面天线这种量级的仿真还是用Feko的PO比较可信，而A-Solveer也许应该用在天线安装到军舰或者大型飞机上的环境效应影响的这种更大尺寸的应用场合。
这个只是你自己的妄加猜测吧?
我使用前先对整个Ka波段上Discete Sweep、Interpolating Sweep、Fast Sweep仿真结果进行过对比的，结果基本上是重合的，回头我把比较的图贴上来给你看看。
1. 我也相信A-solver的精度是CST算法中最低的，但对于反射面天线，只能用它来算（小一点的可能可以勉强用I-solver）。所以我觉得“Despite its limitations, it may often be the first choice for electrically very large problems which are difficult to handle by using any other simulation technique. ”这句英文更多地应该是在“褒奖”A-solver算法的：“尽管它不是全波算法，但是他是处理电大尺寸的不二选择”。纯光学算法GO已经得到了很广泛的认可，SBR从理论上讲，比GO多算了一下金属表面的感应电流，它应该更“物理”些，也更准确些。但CST公司把这个SBR算法写的如何，就不太清楚了，help文件也没什么介绍；
2. 我对小反射面天线用I-solver和A-solver进行过对比，结果接近的很，主波束增益差别小于0.2dB，在非常远的远旁瓣的某处地方I-solver可能会略高25dB，这应该是因为SBR算法无法考虑阴影场、绕射场所引起的，所以A-solver在对远场旁瓣、天线可能存在的缝隙结构上（比如网格状的反射面天线）的计算上存在一定的不准确；
3. 不太清楚你说的看不到旁后瓣是什么意思，反射面天线当然不存在较强的旁后瓣，其主瓣极其尖锐。如果你说的是从3D方向图上看不清旁后瓣而只有主瓣，可能是你的动态范围设置太小了，你那么大的天线我觉得应该设置个70dB的动态范围；
4. Feko的PO我也用过，没觉得跟A-solver结果有啥质的区别，但是我没对同一个结构做过对比，不好讲，呵呵。
Ka波段是26.540GHz，相对带宽1.5，我一直认为宽带至少也要2:1以上吧。呵呵
以前我做过一个5:1的宽带天线，这种情况下，HFSS的fast真的不行，趋势都不一致，但也不知道是不是对所有类型的天线都不行，咱经验不足，估计也可能说的片面了。
这里理解上可能有点差别，我觉得宽带应该是相对带宽，而不是看绝对带宽。Ka波段26.540GHz，相对带宽1.5:1，我不了解这个带宽上HFSS的fast模式的准确度如何。
我所说的，是基于以前我做过一个相对带宽约6:1的天线（1.27GHz），fast模式的计算结果的趋势都不对，完全没有参考性。
晕，对四楼的回复怎么不显示出来?如果是我网络抽风了，小编帮忙删了吧
Ka波段是26.540GHz，相对带宽1.5:1，我觉得不算太宽的宽带吧。宽带应该看相对带宽，而不是绝对带宽吧?
以前做过一个6:1相对带宽的天线，HFSS的fast模式的结果真心不能看。趋势都不对，带宽截止点完全无法参考。
所以这里我们的理解上可能存在一点偏差。
您的观点有一点我不太同意，应该说SBR方法和PO方法都是GO算法的增强。SBR法将GO方法中的射线循迹用相互独立的射线管（Ray tubes）进行了简化，引入基于射线密度归一化(RDN)概念。SBR法更多的是研究多次射线寻迹方法，它与PO还是有所不同。PO法没有考虑多次作用或者边缘衍射，SBR法考虑了多次作用，但是也没有考虑棱边散射。不过两者倒是可以很好的结合，形成PO-SBR法。不知道CST中两者是独立的还是相互有结合?
HFSS中的FAST扫频方式使用ALPS算法得到宽带结果。可以说fast扫频中，只有计算频点是准确的，其他频点是通过ALPS估算出来的。FAST方式对于强谐振结构比较准确，对于弱谐振结构，准确度会下降。并且根据我的经验，FAST方式只有在中心频点f0*（1±20%）范围内准确度较高。如果想得到准确的宽带S参数，建议使用离散扫频或者插值扫频。其中插值扫描的效率较高，然而如果带宽很大，则插值方式也会有收敛问题，这时可以将需要扫描的频段分成多个段分别进行插值扫描。
单说SBR的话，你说的有道理。我一直认为A-solver的SBR算法就是PO-SBR，基于我在CST官网上看到过的一句英文：
CST MICROWAVE STUDIO® (CST MWS) now incorporates an asymptotic solver. This solver is based on the Shooting Bouncing Ray method, an extension to physical optics, and is capable of tackling simulations with an electric size of many thousands of wavelengths such as radar cross section analysis.
所以，如果有更了解CST的A-solver的大侠，希望能说个究竟。
楼上说的问题很重要，CST中的SBR到底是结合过PO没有?
我给出一个不同方法计算边长0.5m、频率10GHz下的角反射器单站RCS的结果，大家可以看一下不同方法的区别。
哪位有A求解器的license，可以用CST中的A求解器计算一下同样模型的RCS，就可以估计CST中的SBR方法的精度了。
从没做过RCS仿真，也不太了解其它那些算法，简单在CST2012里试了下，也不知对不对，用的monostatic scattering，反射次数3次，仿真精度为medium，搞了张貌似靠点谱的图出来：
图又整理了下，请大侠分析
多谢上面两位大侠的经验分享，看了之后受益匪浅，不仅明白了知宵算法的重要性，也更加感受到交流的重要性。为了更好的交流讨论，下面想给诸位牛牛们提的两点不成熟的建议。
一、共识和分歧分类整理的建议
由于大家讨论过程中有的时候是想到哪方面就回复哪方面，有的时候又会一个回复中说多个方面，专业不同的人关注点又有所区别。这样，如果后面的牛牛们需要通读所有的回复，然后再思考整理，才能了解当前讨论的进展和目前存在的分歧，才能有针对性的发言。然而，可能诸位牛牛们手头的工作往往比较繁重，可能没有那么多的时间和经历来做这些琐碎的事情，而且这些事情也有些浪费牛牛们宝贵的时间。
为了更加方便后面的牛牛们阅读并参与讨论，我有个想法就是把大家讨论的回复分类整理到几个帖子中，把当前大家的共识和分歧集中起来，让后面的人对当前的讨论一目了然，随时可以很轻松的加入到讨论中来。不知道大家意下如何?我先尝试着做一下，如果不妥，我们可以恢复原样。
二、讨论中增加参考文献的建议
牛牛们在讨论的时候，往往会旁征博引，这样经常会令初学者们有些头晕目眩，想深入研究的话，牛牛们可能又没有时间和精力给他们耐心细致的讲解，从而使得初学者除了艳羡和死记硬背，没有别的选择。这样的教育会背离了基本的学术精神——大胆质疑。
因而，希望牛牛们在旁征博引的时候，尽量能够后面加上自己引用的出处。如果是师兄或者老师们的经验，也可以注明，这样大家的讨论可能更加客观、公正。
增加参考文献的支持的话，往往会增加自己回复的可信度，并且锻炼自己严谨、认真的科研态度。而且如果能够得到管理员批准的话，希望能够给增加参考文献的回复增加奖励，以表彰和鼓励这样严谨的态度。
上面是我作为小编以来，很想开展的一些改变，虽然平时有些繁忙，还是希望能够试点一下，希望能够促进我们微波仿真论坛更好的发展。
这里我又仍了两块砖头，希望能够吸引大家更多好的意见和提议，以促进我们共同的微波仿真论坛的发展。
【问题分类汇总】
一、按照软件分类
1.1 CST ！A求解器仿真精度
1.2 HFSS Fast Sweep仿真精度
二、按照应用领域分类
注：针对不同的应用，对不同算法的仿真时间和仿真精度的讨论
2.1 大尺寸RCS仿真
2.2
2.3
【共识分歧汇总贴】
——针对 问题1.1
一、共识
1.1应用领域或优点
1.1.1 电超大物体仿真
1.2使用限制条件或不足——参考CST help
1.2.1只能用于PEC和表面阻抗结构；
1.2.2.A-solver的精度是CST算法中最低的，是在其他算法都（因为被计算物体电尺寸太大）无法计算的情况下的第一选择。
“Despiteits limitations, it may often be the first choice for electrically very largeproblems which are difficult to handle by using any other simulation technique.”
1.3仿真精度验证
1.2.1小反射面天线用I-solver和A-solver对比
结果接近的很，主波束增益差别小于0.2dB，在非常远的远旁瓣的某处地方I-solver可能会略高25dB，这应该是因为SBR算法无法考虑阴影场、绕射场所引起的，所以A-solver在对远场旁瓣、天线可能存在的缝隙结构上（比如网格状的反射面天线）的计算上存在一定的不准确；
1.4算法研究
1.4.1 A-solver的算法是PO算法的拓展版本，即PO-SBR
1.4.1.1理论研究
SBR方法和PO方法都是GO算法的增强。SBR法将GO方法中的射线循迹用相互独立的射线管（Ray tubes）进行了简化，引入基于射线密度归一化(RDN)概念。SBR法更多的是研究多次射线寻迹方法，它与PO还是有所不同。PO法没有考虑多次作用或者边缘衍射，SBR法考虑了多次作用，但是也没有考虑棱边散射。不过两者倒是可以很好的结合，形成PO-SBR法。
单说SBR的话，你说的有道理。我一直认为A-solver的SBR算法就是PO-SBR，基于我在CST官网上看到过的一句英文：
CST MICROWAVE STUDIO® (CST MWS) now incorporates an asymptotic solver. This solver is based on the Shooting Bouncing Ray method, an extension to physical optics, and is capable of tackling simulations with an electric size of many thousands of wavelengths such as radar cross section analysis.
1.4.1.1案例分析
我给出一个不同方法计算边长0.5m、频率10GHz下的角反射器单站RCS的结果，大家可以看一下不同方法的区别。
从没做过RCS仿真，也不太了解其它那些算法，简单在CST2012里试了下，也不知对不对，用的monostaticscattering，反射次数3次，仿真精度为medium，搞了张貌似靠点谱的图出来：
这个结果看起来有些区别，但是不大。不太好判断CST中是否对SBR和PO进行了耦合。我已经给CST技术支持去信进行了询问。有回复我会及时贴上来。
技术支持的回复如下：
SBR is an asymptotic High Frequency method which employs ray concepts to describe EM wave propagation mechanisms. It uses a ray-tracing approach to calculate multiple scattering interactions. The ray concepts used are: Fermat’s principle and Snell’s reflection law.
太简单了，也没说出个啥来！
二、分歧
2.1
三、参考文献
3.1CST Help——《Asymptotic Solver Overview》《Asymptotic Solver Parameters》
四、致谢
感谢vip_dong、zhknpu两位会员的经验分享
——针对 问题1.2
一、共识
1.1 应用领域或优点
HFSS Fast Sweep使用ALPS算法得到宽带结果，扫频速度快，对于强谐振结构比较准确。
1.2 使用限制条件
1.2.1 对于弱谐振结构，准确度会下降。
HFSS Fast Sweep使用ALPS算法得到宽带结果。可以说fast扫频中，只有计算频点是准确的，其他频点是通过ALPS估算出来的。FAST方式对于强谐振结构比较准确，对于弱谐振结构，准确度会下降。——参考zhknpu经验。
1.2.2 不能用于超大相对带宽.
带宽在f0*（1±20%）范围内精确度高.如果想得到准确的宽带S参数，建议使用离散扫频或者插值扫频。其中插值扫描的效率较高，然而如果带宽很大，例如6:1相对带宽，则插值方式也会有收敛问题，这时可以将需要扫描的频段分成多个段分别进行插值扫描。——参考vip_dong、zhknpu经验。
二、分歧
2.1
三、参考文献
3.1
四、致谢
感谢vip_dong、zhknpu两位会员的经验分享
这个结果看起来有些区别，但是不大。不太好判断CST中是否对SBR和PO进行了耦合。我已经给CST技术支持去信进行了询问。有回复我会及时贴上来。
ytfbuaa的提议很不错，支持。
2012的TET ！R算法还不成熟，等到2013出来（据官方宣传效率会有很大的提升）再跟HFSS对比吧
现在就跟HFSS比FEM这块会被虐爆的
（我只针对FEM，评论不涉及其他算法，请勿误解）
技术支持的回复如下：
SBR is an asymptotic High Frequency method which employs ray concepts to describe EM wave propagation mechanisms. It uses a ray-tracing approach to calculate multiple scattering interactions. The ray concepts used are: Fermat’s principle and Snell’s reflection law.
太简单了，也没说出个啥来！
不过我觉得应该是耦合过的。
1. 的确如你所说，看不到后瓣是动态范围设置的事情。
2. 波束确实有些尖锐，不想一般喇叭天线方向图过渡比较平缓，下面仿真得到的远场方向图
3.当时是想得到距离反射面一定长度的平面上的电磁场分布，这个无法用！A求解器实现。
不管是PO还是SBR都不考虑棱的影响吗?那么上图仿真的意义岂不大打折扣?
回ytfbuaa：
1. 反射面方向图跟喇叭方向图的相比没有意义，两者用途不同，反射面要的就是定点接收微弱信号，增益要高。不过反射面的方向图也是连续的，不可能是突变的，你把仿真的theta步长弄小点就可看出；
2. A-solver不能得到电场分布，又似乎暗示着SBR算法没有与PO进行耦合，实在是不清楚，很关心这个问题；
3. 不考虑棱，除非棱有一定的厚度。你仿真的是网状天线面吗?那估计低频的增益会被软件低估。
4. 要证实这一点，你可以算一算你这个口径的反射面在仿真频点处的理论最高增益值，看看仿真值与其有没有相差太多。（要保证馈源的设置、对焦等没有问题）
LZ开的这个主题真的不错，先mark下，然后仔细阅读
这几天看到几篇文献，感觉SBR本就是对PO算法的拓展（在多次循迹方面的拓展），SBR在每条射线管的最后一次反射点处都会使用PO来计算其表面电流然后得到远场辐射。
之所以有时候又会有SBR-PO这个说法，是因为有时候人们将SBR只看成是一种循迹方法而不是高频计算方法。
这是我的一点点感觉，不太懂算法，想去查高频算法的经典书籍又没有找到，网上这方面的资料实在是少，我都是通过一些IEEE文章的Introduction部分来推断的
不是搞面天线的,不过看后还是受益匪浅
ＳＢＲ本身不能算作算法，严格的说是一种方法，也就是Algorithm和method的区别。快速多极子有人作FMM，有人作FMA，个人倾向于ＦＭＡ。
ＳＢＲ方法的实现是基于高频近似理论，这个好多仿真软件的介绍里一般都这么说的。但是SBR毕竟不是高频近似理论，注意是理论，PTD GTD UTD中的T就是Theory。一般的高频近似就是PO GO UTD PTD UTD。
而为实现这种基于光学（物理光学、几何光学）的高频近似理论，要借住于额外的技术，，GO要用射线追踪技术（后来还有光速追踪技术）来判断弹跳，PO要用射线追踪技术来判断亮区。另外，还可能需要借住于其他的寻迹方法，PO的爬行波要寻找测地线，PTD要找从绕射边出发的绕射线。高频算法物理意义极为明确，也因此要找到这个明确的电磁波“迹”。
SBR顾名思义就是实现电磁波多次弹跳效应，为什么有的说SBR包括PO，是PO的扩展。
有限文献里，比如做信道的，他们一般都人为ＳＢＲ是射线追踪技术结合ＧＯ（也可以是ＧＴＤ＼ＵＴＤ）理论实现的电磁计算；有一大部分认为ＳＢＲ是射线追踪技术，结合ＧＯ理论追踪场强，最后一次出射计算ＰＯ实现的电磁计算。
对于是否是最后一次弹跳才算ＰＯ，其实好多人也误解了当年林浩他们算腔体所采用的ＳＢＲ。每一次弹跳都有感应电流，如果不被下一面片遮挡对观察点都有贡献。那篇文献是计算腔体，ＰＯ的惠更斯面取在腔口，所以是只有最后逃逸的射线管才计算ＰＯ。但是对于开放的目标就不能这么取了。
至于ＳＢＲ 高频算法准不准，这个不懂算法的看名字也能知道：Ａ是Aympotic，电磁问题对近似“条件满足的好就准，满足的不好就不准”。还有就是仿真软件本身对这些算法实现的程度怎么样。
额， 学习一下，感觉离学会还很远。
hahh！fenxi hentouche！