CST進(jìn)階之路：第一節(jié) MATLAB—CST聯(lián)合仿真之入門
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CST進(jìn)階之路：第一節(jié) MATLAB—CST聯(lián)合仿真之入門
1. 前言
近幾年，經(jīng)常查閱文獻(xiàn)的科研人員會發(fā)現(xiàn)，我國學(xué)者發(fā)表在天線與電波傳播領(lǐng)域的高水平期刊論文越來越多，從文獻(xiàn)的內(nèi)容也可以看出天線設(shè)計與電波傳播的分析水平也越來越高，不過很大一部分都借助了全波仿真軟件工具來驗證設(shè)計方法和結(jié)果，通常我們采用的主流仿真軟件基本都是國外的，如圖1所示，其中HFSS已被Ansys收購，CST已被達(dá)索收購。
1 國外主流的電磁仿真軟件
全波仿真工作需要一定的專業(yè)知識和良好的精力和體力儲備，從我們的科研力量組織構(gòu)成來看，一般干底層仿真活的主力基本都是碩士和博士。由于社會生產(chǎn)力迅猛發(fā)展導(dǎo)致專業(yè)人才缺口大，目前的現(xiàn)狀是研究生的培養(yǎng)規(guī)模大、時間短、任務(wù)重，尤其是物質(zhì)保障與社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有點脫節(jié)，導(dǎo)致大多數(shù)研究生為了生計而不得不出賣勞動力，因此他們沒有太多精力投入到各種仿真軟件的摸索和學(xué)習(xí)中，從而浪費了大量的時間在笨拙的建模方式和結(jié)果處理上。所以，對于一線的天線研究人員來說，專心用好一款仿真軟件，減少在軟件上的摸索時間，提高設(shè)計效率，為其他創(chuàng)造性的科研活動騰出時間就顯得尤為重要了。
鑒于此，我決定將一些能提高天線設(shè)計效率的軟件操作方法分享出來，因為我在科研中用到的一些方法和技巧幫我節(jié)約了大量時間，以至于能把更多精力放在別的更加有用的地方，比如寫了這篇教程。
在發(fā)表此詳細(xì)教程之前，我已于2016年底在微波仿真論壇：
http://bbs.rfeda.cn/read.php?tid=106664
和CST中國官方論壇：
http://www.cst-china.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=2451
發(fā)過一篇名為“【干貨福利之代碼共享】MATLAB控制CST進(jìn)行建模仿真”的帖子，我記得當(dāng)時就花一個多小時隨便寫了一個小DEMO上傳。但是令我驚訝的是，兩年來這篇帖子長期霸占CST板塊的熱帖，累計瀏覽量過萬，不過下載量只有幾百，后來我發(fā)現(xiàn)很多人是沒有權(quán)限無法回復(fù)或者懶得回復(fù)而不能下載。此外，在這兩年里還有大量的人發(fā)站內(nèi)信請我發(fā)代碼給他們，也有人提出了很多操作層面問題和我交流。
事實上，據(jù)我了解，國內(nèi)很多厲害的重點實驗室在MATLAB與CST聯(lián)合仿真方面上已經(jīng)有了大量積累，但是網(wǎng)上卻很難見到相關(guān)內(nèi)容的分享。這兩年來關(guān)于MATLAB控制CST的操作我也時不時摸索一下，其實還有很多問題沒有解決好。但是我深知任何事情都不要等準(zhǔn)備完美再去做，只有邊做邊迭代才能收斂到理想的狀態(tài)，所以我決定將一些還不是很完善的操作方法和技巧與大家分享，也歡迎大家多提意見幫忙一起迭代。
2. 入門基礎(chǔ)
說到編程語言，我想理工科的本科生都學(xué)習(xí)過C語言，大多數(shù)也選修過MATLAB，當(dāng)然這幾年火遍全球的Python語言也是勢不可擋。但由于MATLAB非常容易上手且網(wǎng)上隨手一搜就有答案的特性，我覺得研究一下MATLAB控制CST的方法是很有必要的。在此之前我都是用CST自帶的VBA編程，或者用Visual Basic編程來控制，后來發(fā)現(xiàn)用起來挺麻煩的、也很費時。可能是我不是很熟悉Basic語言的原因，我始終覺得用VBA很不方便，就在網(wǎng)上查找關(guān)于用MATLAB控制CST的方法，終于在一個國外的論壇找到了利用invoke()函數(shù)調(diào)用控件的方法，之后又查到了CST的官方說明文件。掌握MATLAB和CST聯(lián)調(diào)的初級使用方法后，我就開始基于科研中的一些實際問題研究各種操作方法與技巧，后來發(fā)現(xiàn)很多技巧在科研中幫助還挺大。
下面就開始介紹怎么用MATLAB來控制CST軟件，不過在此之前，建議大家優(yōu)先看一下CST的官方文件，下載地址：
https://share.weiyun.com/51zMlKR
提取密碼：
0o1yx6
假如你一看到英文就頭疼，那就看下面的入門吧。
首先大家想到的就是怎么讓MATLAB連接到CST，只有抓住了它，才能控制它。很顯然這就必須要CST公司提供控件的接口，就是下面這行命令：
復(fù)制代碼
- [size=2][size=2]cst =actxserver('CSTStudio.application')[/size][/size]
其中“cst”可以是任意的合法變量名，給它賦值后它就成為了一個句柄類型的變量（handle）。
接下來就要新建一個CST工程或者打開一個CST工程了。
復(fù)制代碼
- [font=宋體] [/font][size=2]mws = invoke(cst, 'NewMWS')[/size]
- [size=2] invoke(mws, 'OpenFile',‘filename.cst');[/size]
新建一個工程之后，我們先不著急設(shè)置環(huán)境參數(shù)，為幫大家弄明白這個MATLAB的代碼是怎么來的，先來看如表1所示的對比。
表1 VBA代碼和MATLAB代碼一一對應(yīng)
左邊一列是CST中比較典型的一段建立立方體的代碼，假如你從來沒有看到過這段代碼，請在CST里面隨便畫一個立方體，然后打開歷史樹，雙擊建立立方體的那段命令，就會得到其詳細(xì)的代碼，請看下圖。
2 歷史樹列表
這段代碼就是一段典型的VBA命令，學(xué)習(xí)過編程語言且有基本編程思想的人應(yīng)該都能明白這段代碼的意思，我就不贅述了。為了能在MATLAB里面實現(xiàn)對CST的控制與操作，我們的基本思路就是要將這段代碼翻譯成MATLAB能執(zhí)行的命令，如表1中右邊一列所示。這樣一對比是不是感覺清晰明了。但是肯定有人發(fā)現(xiàn)有些操作在CST的歷史樹里面是看不到的，那么請在CST界面按F1進(jìn)入幫助，如下圖所示，你就能夠看到幾乎所有可供操作的VBA命令，而留給我們做的就是看懂VBA的命令，然后把它翻譯成MATLAB代碼。有的人看到這里就已經(jīng)按捺不住了：“如此簡單為什么沒有人告訴我呢?”
3 CST幫助文檔里面的VBA使用指南
3. 入門范例
我想有的同學(xué)看到上面的介紹就已經(jīng)基本掌握了精髓，可以獨立在MATLAB里面編寫代碼操作CST了，但是有點同學(xué)雖然明白了其中的道理，還是無從下手，那就請看下面詳細(xì)的范例程序介紹。
下載示例代碼之后，在同時裝有MATLAB和CST的電腦上運行。強(qiáng)烈推薦使用CST2018，我的MATLAB版本是2016b。MATLAB的版本老一點沒有關(guān)系，CST版本盡量用最新的版本，不然運行后續(xù)內(nèi)容會有麻煩。
有的同學(xué)第一眼看到范例中的代碼是不是覺得很煩躁，怎么亂七八糟的，那是因為我沒有將各種操作打包成函數(shù)，這是為了讓大家熟悉完整翻譯VBA代碼的過程，不過你要有代碼潔癖的話可以自己重寫。我主要是提供思路，大家可以自由發(fā)揮。
關(guān)于代碼中關(guān)鍵步驟的介紹：
①基本的環(huán)境參數(shù)設(shè)置
在初次使用CST的時候會有一個引導(dǎo)你設(shè)置模板的向?qū)ВO(shè)置完成后，每次新建項目都會出現(xiàn)如圖4所示的模板，根據(jù)需要點擊相應(yīng)模板就不用再進(jìn)行環(huán)境參數(shù)設(shè)置了。
4 新建項目
借助建立模板的思路，如圖5所示，在編寫MATLAB控制CST仿真的代碼時就可以根據(jù)模板里的VBA代碼來改寫。在示例程序中，我將列出了一些常用的環(huán)境參數(shù)設(shè)置，各位在編寫代碼時候可以將常用的一些設(shè)置打包成函數(shù)，方便下次直接調(diào)用。
5 新建項目模板的VBA代碼
②建立貼片天線的實體模型
圖6所示的動圖是示例代碼運行過程中的截圖，可以看出CST在執(zhí)行基本的建模操作時，比較流暢。建模的過程在示例代碼中的展示比較充分，大家可以仔細(xì)琢磨一下，簡單易上手。
（該動圖需至公眾號查看）
6 貼片天線自動建模演示（gif）
③添加饋電端口
在貼片兩端的微帶線上添加端口，從示例代碼中的說明可以知道，在設(shè)置端口時采用了一個方法，就是完全模仿我們在CST設(shè)置端口的操作方法，將鼠標(biāo)的點擊操作變成了MATLAB的命令，也就是通過代碼完全復(fù)現(xiàn)手動操作的過程。這個理念很重要，有些復(fù)雜操作利用這種理念來解決，可以很直觀地實現(xiàn)，后續(xù)課程會進(jìn)一步用的此思想。
④仿真和保存結(jié)果
這一步，出現(xiàn)了一個至關(guān)重要的問題，大家注意看示例代碼的末尾，我特意將退出程序這行命令注釋了。這是因為假如我們將仿真完成并有結(jié)果的工程關(guān)閉之后，再打開，大家可以發(fā)現(xiàn)歷史樹里面就只剩兩行命令了，如圖7所示。也就是說此種情況下，如果你點擊遠(yuǎn)場方向圖的結(jié)果就會報錯，因為沒有端口。而假如此時重新添加端口，只要一更新項目，那么已生成的數(shù)據(jù)會消失，重新修改模型的幾何參數(shù)，只要一更新模型，那么之前建立的整個模型就會消失了。此問題我還沒有找到很好的解決辦法。
7 關(guān)閉之后再打開的工程
因此，對于重要仿真結(jié)果，特別是要花很長時間才仿真完成的項目，最好使用命令將其需要的結(jié)果導(dǎo)出保存。或者就是建模之后將模型導(dǎo)出，重新導(dǎo)入之后再設(shè)置好參數(shù)、添加好端口之后仿真（手動操作完成）。不過總體來看，利用MATLAB來操作，還是提供了很多方便，可以在一定程度上節(jié)省建模時間。
4. 這么簡單，學(xué)會用了嗎?
比如老師布置了一個任務(wù)，要你設(shè)計一個曲面共形的微帶貼片陣列，需要生成一個“奇怪”（例如余割平方）的方向圖，這個方向圖是用于星載SAR成像的，為了使陣列單元布局更加合理優(yōu)化，老師還想你采用非均勻的布陣方法組陣。但問題是貼片單元布局一變，單元的有源方向圖就發(fā)生了改變，用于陣列綜合的有源方向圖參數(shù)也就變了，要只用CST仿真優(yōu)化的話還挺麻煩的，每次仿真完都得手動調(diào)整大量單元的各種參數(shù)，本來仿真一次就要花好多時間，人工干預(yù)更是讓人煩躁頭疼，不知道要多久才能搞完，就想著要是能自動優(yōu)化就好了。轉(zhuǎn)念一想，今天學(xué)習(xí)了MATLAB控制CST的方法，要是用MATLAB來控制CST進(jìn)行建模、仿真、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、方向圖分析與綜合等自動操作，不就行了嗎?假如你已經(jīng)想到了具體步驟與方法，我想你屬于一點就通型，但是實際過程中你還是會遇到許多意想不到的問題，不過應(yīng)該能想到解決方法；假如問題稍微復(fù)雜一點，你就發(fā)現(xiàn)雖然自己掌握了核心技術(shù)，但是沒辦法使出勁來，那就請耐心學(xué)習(xí)后續(xù)課程，我想學(xué)完之后你一定會有一個全新的認(rèn)識。
當(dāng)然，我也還在MATLAB和CST聯(lián)合仿真的摸索和學(xué)習(xí)中，也還有許多問題待解決，因此我們應(yīng)該放平心態(tài)，一起討論。
課后討論（加相關(guān)微信群）
課后討論（移步 論壇 或 交流群）：
在將MATLAB里面的變量傳遞給CST時，以下三種寫法有什么區(qū)別和聯(lián)系?什么情況下用什么代碼不會出現(xiàn)問題?
致謝
本節(jié)校對與代碼測試人員：
王志娟，成都電子科技大學(xué)本科，國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院碩士研究生在讀。
作者簡介：
劉燚，國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院電子科學(xué)系電磁調(diào)控技術(shù)教研室講師，主要從事微波毫米波技術(shù)、天線理論與設(shè)計等方向的教學(xué)和科研。
郵箱：yi_liu@nudt.edu.cn
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示例代碼：請在公眾號后臺回復(fù)“CST001”獲取下載鏈接
配套微信群：加編輯Amy_wang微信: 18010874378 （請備注:MATLAB-CST)
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好實用！
Qt: Untested Windows version 10.0 detected！ 在matlab里面打開cst命令，出現(xiàn)這個錯誤
你CST版本更新到2018和MATLAB版本高于2016b，應(yīng)該沒有問題的，我找了好幾臺電腦測試
謝謝 我回去再把這個重裝吧
厲害了，很實用
非常好的帖子，希望課程完了以后能整理成PDF文檔，
這樣某些圖片不會有水印，也更清晰一些
關(guān)注公眾號閱讀體驗更好
微波仿真論壇的公眾號早就關(guān)注了，
希望能關(guān)注才女你的公眾號
我沒有公眾號，我的意思是你關(guān)注微波仿真論壇了就可以看到完整版的教程了，圖片也沒有水印
錯誤使用 Interface.CSTStudio_application.NewMWS.Port/invoke
調(diào)用錯誤: 未知的名稱或已命名參數(shù)
出錯 PatchAntenna (line 232)
invoke(port, 'TextMaxLimit', '0');
這是什么原因?
好吧，看了一眼cst里的history，沒有這行命令，版本太低了
是的，裝個高版本嘛
您好，出現(xiàn)：錯誤使用 Interface.CSTStudio_application.NewMWS.TraceFromCurve/invoke
求解答，感激
請仔細(xì)看文章對照檢查，你要先排查原因，看看軟件版本對不
設(shè)置單位的時候，時間和Geometry沒有改變，請問怎么回事呢?
hhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhh
謝謝分享
錯誤使用 Interface.CSTStudio_application.NewMWS.Brick/invoke
調(diào)用錯誤，調(diào)度異常:
源: CST MICROWAVE STUDIO 2019
說明: This name already exists, please choose a unique name
Brick(brick, Str_Name, Str_Component, Str_Material, x, y, z);
請問這個為什么錯了
通過Matlab畫出的圖形，在CST里沒有歷史記錄，模型也不那么再修改。有沒有好的辦法，能夠在CST中手動二次修改模型的?
木有好辦法，可以手動先畫好，在用MATLAB來控制模型參數(shù)的變化
