Forum: HF, Funk und Felder Zellen pro Wellenlänge CST


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von CST_neuling (Gast)


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Hallo alle zusammen,

ich bin absoluter Neuling in CST und versuche mit der kostenlosen CST 
Studio Software ein paar Grundlagen zu lernen.

Jedoch ist mir etwas Grundlegendes noch nicht ganz klar. In CST kann man 
die Anzahl an Cells per Wavelength angeben.

Als Beispiel:

Ich möchte eine Patchantenne realisieren bei 2 GHz. Die kleinste 
Leitungsbreite ist 400um. Welche Zahl schreibe ich dann in Cells per 
Wavelength rein? Je größer desto besser, aber welches ist der 
intelligenteste Wert zwischen Berechnungsaufwand und der zu erzielenden 
Genauigkeit?

Wie überschlage/ berechne ich das?

Beste Grüße

von nachtmix (Gast)


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CST_neuling schrieb:
> Wie überschlage/ berechne ich das?

Das hängt von der Rechenleistung deines Computers ab. Probiers einfach 
aus.
Der Rechenaufwand steigt quadratisch mit der Grösse der Zellen.
Deshalb wird man zunächst mit einem relativ groben Raster 
experimentieren, und wenn es an die endgültige Fertigstellung geht, darf 
die Berechnug auch mal länger dauern.

von nachtmix (Gast)


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nachtmix schrieb:
> mit der Grösse der Zellen

Sollte natürlich heissen "mit der Zahl der Zellen pro Länge", also der 
Feinheit.

von CST_neuling (Gast)


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Der Feinheit heist wieviele Zellen in eine Wellenlänge hinein gesetzt 
werden.

Alsi machen wir Cells per Wavelength = 15 bei einer Frequenz von 2 GHz.

Die Struktur würde dann,

2 GHz -> ca. 150mm /15 = 10mm

mit Zellen der Größe 10mm berechnet werden. Darf ich mir das so 
vorstellen?

von Pandur S. (jetztnicht)


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Naja, die Groesse der Zelle ab der Wellenlaenge ist eine Sache. Die 
andere Sache ist die feinste Strukturaufloesung. Wenn du 0.4 mm in einer 
Richtung Strukturaufloesung hast, ist das die Gittergroesse in dieser 
Richtung, resp in der Umgebung. Dann gibt es noch lokale Gitter, indem 
man die Antennen auswaehlt un der eine eigene Gitterung verpasst.

Eingekuerzt... ich schau mit jeweils 200-600k Gitterzellen 
durchzukommen. Sonst ist es zu aufwendig zum Rechnen. Aufgrund der 
Resultate sieht man dann ja wo die Fehler sind, und kann dann allenfalls 
nachbessern.

von Rabe (Gast)


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Wenn es zu grob ist, meckert er (...minimum 5 meshcells per Leitung 
o.Ä.). Wenn man beliebig fein macht, sieht man eigentlich keine 
Verbesserung mehr am Ergebnis. Manchmal macht es Sinn, bestimmte 
Strukturteile (feed) besonders fein meshen zu lassen, da er sich sonst 
beschwert, da kann man an solchen sensiblen Stellen dann z.B. ein 
Vakuumklötzchen reinsetzen und das bei Bedarf extra meshen lassen.

von GHz N. (ghz-nerd)


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Das automatic mesh refinement nimmt einem heutzutage eine Menge Arbeit 
ab und führt meist auch ohne Vorwissen zu anständigen Ergebnissen. Feeds 
werden zb in der Regel nach wenigen refinement iterationen automatisch 
feiner aufgelöst.

Ein einfacher Test besteht grundsätzlich darin, das Gitter sukzessive zu 
verfeinern, bis sich an den Ergebnissen nichts oder kaum etwas mehr 
ändert. Irgendwann kriegt man ein Gefühl dafür, welche Zellendichte in 
welchem Fall sinnvoll bzw. nötig ist.

Ein verbreiteter Anfängerfehler ist auch, mit viel zu komplexen 
Geometrien anzufangen. Einfaches Beispiel: Das wunderschön 
ausmodellierte Gewinde im STEP file der SMA Buchse wird die Zellenzahl 
explodieren lassen aber sicher nicht zu einem "genaueren" Ergebnis als 
ein einfacher Zylinder führen...

: Bearbeitet durch User
von nachtmix (Gast)


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CST_neuling schrieb:
> Alsi machen wir Cells per Wavelength = 15 bei einer Frequenz von 2 GHz.

Das ist viel zu grob.
Leitungsstücke mit der Länge von z.B. λ/8 und weniger, haben schon 
regelrechte Transformationseigenschaften und werden deshalb auch zu 
Anpassungszwecken eingesetzt.
Annähernde Frequenzunabhängigkeit nimmt man unterhalb von λ/100 an, und 
selbst da ist Vorsicht geboten.
Wenn du jemals UKW-Radios gebastelt hast, 100 MHz entsprechen 3m 
Wellenlänge, wirst du gemerkt haben, dass es ein spürbarer Unterschied 
ist, ob eine Leitung -z.B. eine Masseleitung-, 3cm lang ist oder 2cm 
oder 4cm.

von GHz N. (ghz-nerd)


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nachtmix schrieb:
> Annähernde Frequenzunabhängigkeit nimmt man unterhalb von λ/100 an, und
> selbst da ist Vorsicht geboten.

Hmmm... Alles pauschal mit λ/100 zu diskretisieren wär zwar schön und 
einfach aber

1) kaum machbar (Speicher- / Rechenaufwand)
2) nicht besonders sinnvoll.

Es gibt durchaus Fälle, wo eine hohe Meshing Dichte nötig ist (i.A. an 
Stellen wo die Feldgradienten und Leistungsdichten hoch sind, aber z.B 
im Fernfeld von Antennen reicht auch λ/10, um Gain und Feldverteilung zu 
beurteilen, und grosse Fehler wird's auch dann nicht geben.

Allgemein heikel bis problematisch sind Simulationen, in denen 
einerseits sehr feine Feed-Strukturen vorhanden sind und gleichzeitig 
ein grosses Gesamtvolumen simuliert werden soll. In diesen Fällen würde 
ich einem CST-Anfänger auf jeden Fall raten, den frequency domain solver 
mit tetahedralem Mesh inkl. automatic mesh refinement (ist eh 
defaultmässig aktiviert) zu verwenden. Damit lassen sich auch diese 
Fälle relativ gut bearbeiten.
Falls die Meshzahl nach einigen Refinement-Schritten explodieren sollte, 
hilft nur eine Vereinfachung der Geometrie und/oder das Einfügen von 
Symmetrieebenen. Man sieht im Mesh view immerhin sofort, welches die 
problematischen Stellen sind. Manuelles Eingreifen kann z.T zwar auch 
helfen, setzt aber definitiv etwas Erfahrung voraus.

von Markus (Gast)


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Warum benötigt ein Löser im Frequenbereich eigentlich weniger Zellen als 
die Löser im Zeitbereich?
Und warum werden je nach Bereich unterschiedliche Gitterstrukturen 
benutzt?

von GHz N. (ghz-nerd)


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Markus schrieb:
> Warum benötigt ein Löser im Frequenbereich eigentlich weniger Zellen als
> die Löser im Zeitbereich?
> Und warum werden je nach Bereich unterschiedliche Gitterstrukturen
> benutzt?

Je nach Solver-Methode bzw. Algorithmus wird ein rechteckiges 
hexahedrales Mesh (bzw kleine "Würfelchen" in FDTD) oder ein 
tetraedrales Mesh vorausgesetzt (CST's frequency domain solver).

In den kommerziellen state-of-the-art Implementierungen dieser 
Algorithmen ist es grundsätzlich möglich mit Gittern zu arbeiten, deren 
Gitterpunkte nicht 100% gleichmässig angeordnet sind. Wie oben 
beschrieben ist das extrem hilfreich bis zwingend, um den Rechenaufwand 
in einem realistischen Bereich zu halten.
Bei der Diskretisierung gibt es aber nicht beliebige Freiheiten. Bei 
FDTD zum Beispiel bedingt das Einfügen eines zusätzlichen Gitterpunkts 
im Mesh, dass gleichzeitig ein Gitterpunkt auf allen existierenden 
Kanten hinzugefügt werden muss, welche sich mit den drei Raumebenen 
durch den neuen Punkt schneiden (ich hoffe das ist halbwegs 
verständlich).
wenn ein bestimmter Bereich höher aufgelöst werden soll, muss somit 
leider auch ein "3D-Kreuz" durch das ganze Simulationsgebiet ebenfalls 
jeweils höher aufgelöst werden.

Das tetrahedrale Gitter bietet hier mehr Freiheitsgrade, so dass 
extremere Verhältnisse zwischen fein und grob innerhalb desselben 
Simulationsvolumen machbar sind.

Nachteil bei freqiency domain ist dafür, dass jeder Frequenzpunkt 
einzeln simuliert werden muss (ok bei schmalbandigen Strukturen), 
während ein Zeitbereich-Solver inhärent breitbandig rechnet und damit 
sicher keine dips und Resonanzen im Frequenzgang versehentlich 
"verschluckt".

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