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凡亿专栏 | 利用Python与HFSS联合仿真设计微带天线(全文共附260多行代码)
利用Python与HFSS联合仿真设计微带天线(全文共附260多行代码)
玩点嵌入式

我们知道HFSS是一款电磁仿真商用软件，用其进行天线的设计十分方便。而该软件也预留了可以运行脚本的接口，使用者可以使用脚本对软件进行控制，实现模型的建立、求解等等。由于后期可能会用到联合仿真，而大多数联合仿真的脚本都是使用的Matlab进行编程，网上也有不少现成的api，因为对python比较熟悉，且python除了数值计算其他的功能也相当强大，并且免费开源，于是决定用python写一个建模的脚本（其实是我matlab学得太烂了），折腾了两天，终于把微带天线的模型建立与仿真的过程搞定了，当然是基于有Matthew Radway这位大牛的基础上。这个例子也是接触HFSS时手绘天线做的第一个例子，现在用代码做一遍，也是很有意思的事情。下面分享给大家。


1、连接软件


GetAppDesktop

Use:     GetAppDesktopis a function of    oAnsoftApp. This function does not take an input and it returns an object. The object is assigned to the variable   oDesktop.

Syntax:              GetAppDesktop()

Return Value:    Object.

Parameters:      None

Example:     

Set oDesktop = oAnsoftApp.GetAppDesktop()


给出了函数名，参数值，返回值，以及一个实例（这个帮助文档写得很不错，但是后面阅读过程中也发现了一些小错误，当然很可能是因为我用的是daoban）。这个返回值oAnsoftApp就是后面进行一系列操作要使用的对象，所有的操作的形式都是下面这样：oAnsoftApp.


python中编写了一个接口函数把这个函数封装在里面。代码如下：


  1. from __future__ import division, print_function, unicode_literals, absolute_import


  3. import win32com.client


  5. def setup_interface():

  6.     """

  7.     Set up the COM interface to the running HFSS process.


  9.     Returns

  10.     -------

  11.     oAnsoftApp : pywin32 COMObject

  12.         Handle to the HFSS application interface

  13.     oDesktop : pywin32 COMObject

  14.         Handle to the HFSS desktop interface


  16.     Examples

  17.     --------

  18.     >>> import Hyphasis as hfss

  19.     >>> [oAnsoftApp, oDesktop] = hfss.setup_interface()


  21.     """

  22.     # I'm still looking for a better way to do this.  This attaches to an 

  23.     # existing HFSS process instead of creating a new one.  I would highly 

  24.     # prefer that a new process is created.  Apparently 

  25.     # win32com.client.DispatchEx() doesn't work here either.

  26.     oAnsoftApp = win32com.client.Dispatch('AnsoftHfss.HfssScriptInterface')


  28.     oDesktop = oAnsoftApp.GetAppDesktop()


  30.     return [oAnsoftApp, oDesktop]


作者用了win32com.client.Dispatch()这个函数，这个函数是专门用来连接接口的，返回值中的那个oDesktop就是生成的对象。


实际调用代码：[oAnsoftApp, oDesktop] = hfss.setup_interface()


2、新建一个project


oProject = hfss.new_project(oDesktop)


这里就是用了上面生成的oDesktop对象新建了一个object，具体查阅help文档和编写api的工作和上一步一致，并且平时使用时直接使用接口调用即可。注意，下面进行的操作都在这个project中，所以下面操作的对象就是oProject了。这个时候HFSS里应该长这样了。


2270d1d0b2dbc6b01c848e18d99ce8.png


3、保存project


养成良好习惯，新建的文件之后先保存，在编写过程中因为没有先保存，生成了一堆临时文件，挺讨厌的。这个传人的参数可以包含路径。

hfss.save_as_project(oDesktop,"E:/dj/test/microstrip_antenna.hfss")


4、新建一个design


这里传人的参数为design的名字，设计模式。

oDesign = hfss.insert_design(oProject, "HFSSDesign1", "DrivenModal")

新建完成后发现和我们手动操作是一样的。


428ed7704fc6f8396668313cec7c9f.png


5、建立模型

教程中首先新建了一个地板，并设置为PEC。这里也分别调用了这两个函数，尺寸可以用字符串输入，很方便灵活，不需要自己转换为一堆小数点的数字。设置PEC表面首先需要获得平面的faceid，再给这个表面设置边界条件。

  1. raw_input('Press "Enter" to draw a ground plane>')


  3. ground = hfss.create_rectangle(

  4.     oEditor,   

  5.     "-45mm", 

  6.     "-45mm", 

  7.     0,

  8.     "90mm", 

  9.     "90mm",

  10.     Name='ground',

  11.     Transparency=0.8)


  13. raw_input('Press "Enter" to assign a PerfectE boundary condition on the ground.>')

  14. ground_faceid=[]

  15. ground_faceidnum = hfss.get_face_by_position(oEditor, ground, 0, 0, 0)

  16. print ground_faceidnum

  17. ground_faceid.append(ground_faceidnum)

  18. hfss.assign_perfect_e(oDesign, "ground", ground_faceid)


由于建模过程比较类似，这里就不逐个给出了，模型建立完毕如下图（包括了设置边界条件和设置端口）：

f11c72f5e3eb0ac15cf427aaf55991.jpg


6、设置求解和扫频

这里求解函数传人了中心频点；扫频传入了扫频方式，起始频率和终止频率，频率间隔。

  1. raw_input('Press "Enter" to insert analysis setup.>')  


  3. setuplist=[]


  5. setupname = hfss.insert_analysis_setup(oDesign, 2.45)


  7. setuplist.append(setupname) 


  9. raw_input('Press "Enter" to insert frequency sweep.>')  


  11. hfss.insert_frequency_sweep(oDesign,

  12.                             setupname,

  13.                             "Sweep1",

  14.                             1.5,

  15.                             3.5,

  16.                             0.1,

  17.                             IsEnabled=True,

  18.                             SetupType="LinearStep",

  19.                             Type="Discrete",

  20.                             SaveFields=True,

  21.                             ExtrapToDC=False)


7、求解

对于每个setup进行求解。是不是和手动操作是一样的？

hfss.solve(oDesign,setuplist)

c098696c1010d7144e9b78651a0dbd.png


8、退出HFSS

hfss.quit_application(oDesktop)

结束语：

今天暂时研究到这儿，还有很多比如查看求解完成后的驻波、增益曲线等等还有设置主从边界啦很多的api还没有编写，有时间会继续完善。

做了个有趣的小玩意儿，分享给大家~

完整主函数源码（api部分还不是很完整，哦，相当不完整，就先不给出了）：


  1. # -*- coding: utf-8 -*-

  2. """

  3. Created on Fri Apr 22 14:29:38 2016

  4. @author: DJ

  5. """


  7. from __future__ import division


  9. import hycohanz as hfss


  11. raw_input('Press "Enter" to connect to HFSS.>')


  13. [oAnsoftApp, oDesktop] = hfss.setup_interface()


  15. raw_input('Press "Enter" to create a new project.>')


  17. oProject = hfss.new_project(oDesktop)


  19. raw_input('Press "Enter" to save the project.>') 


  21. hfss.save_as_project(oDesktop,"E:/dj/test/microstrip_antenna.hfss")


  23. raw_input('Press "Enter" to insert a new DrivenModal design named HFSSDesign1.>')


  25. oDesign = hfss.insert_design(oProject, "HFSSDesign1", "DrivenModal")


  27. raw_input('Press "Enter" to set the active editor to "3D Modeler" (The default and only known correct value).>')


  29. oEditor = hfss.set_active_editor(oDesign)


  31. raw_input('Press "Enter" to draw a ground plane>')


  33. ground = hfss.create_rectangle(

  34.     oEditor,   

  35.     "-45mm", 

  36.     "-45mm", 

  37.     0,

  38.     "90mm", 

  39.     "90mm",

  40.     Name='ground',

  41.     Transparency=0.8)


  43. raw_input('Press "Enter" to assign a PerfectE boundary condition on the ground.>')

  44. ground_faceid=[]

  45. ground_faceidnum = hfss.get_face_by_position(oEditor, ground, 0, 0, 0)

  46. print ground_faceidnum

  47. ground_faceid.append(ground_faceidnum)

  48. hfss.assign_perfect_e(oDesign, "ground", ground_faceid)


  50. raw_input('Press "Enter" to insert some substrate properties into the design.>')


  52. hfss.add_property(oDesign, "w", hfss.Expression("80mm"))

  53. hfss.add_property(oDesign, "h", hfss.Expression("5mm"))


  55. raw_input('Press "Enter" to draw a substrate using the properties.>')


  57. substrate = hfss.create_box(

  58.     oEditor,   

  59.     -hfss.Expression("w")/2, 

  60.     -hfss.Expression("w")/2, 

  61.     0,

  62.     hfss.Expression("w"), 

  63.     hfss.Expression("w"),

  64.     hfss.Expression("h"),

  65.     Name='substrate',

  66.     Transparency=0.8)


  68. raw_input('''Press "Enter" to change the substrate's material to Rogers 4003>''')


  70. hfss.assign_material(oEditor, [substrate], MaterialName="Rogers RO4003 (tm)")


  72. raw_input('Press "Enter" to insert some patch properties into the design.>')


  74. hfss.add_property(oDesign, "w_p", hfss.Expression("31.0mm"))

  75. hfss.add_property(oDesign, "l_p", hfss.Expression("41.4mm"))


  77. raw_input('Press "Enter" to draw a patch>')


  79. patch = hfss.create_rectangle(

  80.     oEditor,   

  81.     -hfss.Expression("w_p")/2, 

  82.     -hfss.Expression("l_p")/2, 

  83.     hfss.Expression("h"),

  84.     hfss.Expression("w_p"), 

  85.     hfss.Expression("l_p"),

  86.     Name='patch',

  87.     Transparency=0.8)


  89. raw_input('Press "Enter" to assign a PerfectE boundary condition on the patch.>')

  90. patch_faceid=[]

  91. print hfss.Expression("h")

  92. patch_faceidnum = hfss.get_face_by_position(oEditor, patch, 0, 0, 0.005) #hardcode!!

  93. #print ground_faceidnum

  94. patch_faceid.append(patch_faceidnum)

  95. hfss.assign_perfect_e(oDesign, "patch", patch_faceid)


  97. raw_input('Press "Enter" to draw a Coaxial core>')


  99. Coaxial_core = hfss.create_cylinder(

  100.     oEditor,   

  101.     "9.5mm", 

  102.     0, 

  103.     0,

  104.     "0.5mm", 

  105.     "5mm",

  106.     Name='Coaxial_core',

  107.     Transparency=0.8)


  109. raw_input('''Press "Enter" to change the Coaxial_core's material to copper>''')


  111. hfss.assign_material(oEditor, [Coaxial_core], MaterialName="copper")


  113. raw_input('Press "Enter" to draw a Signal transmission port>')


  115. port = hfss.create_circle(

  116.     oEditor,   

  117.     "9.5mm", 

  118.     0, 

  119.     0,

  120.     "1.5mm", 

  121.     Name='port',

  122.     Transparency=0.8)


  124. raw_input('Press "Enter" to subtract the transmission port from the ground.>')


  126. hfss.subtract(oEditor, [ground], [port], KeepOriginals=True)


  128. raw_input('Press "Enter" to draw an air box>')


  130. air = hfss.create_box(

  131.     oEditor,   

  132.     '-80mm', 

  133.     '-80mm', 

  134.     0,

  135.     '160mm', 

  136.     '160mm',

  137.     '75mm',

  138.     Name='air',

  139.     Transparency=0.8)


  141. raw_input('Press "Enter" to assign a Radiation boundary condition for the air box.>')

  142. air_objectid=[]

  143. air_objectidnum = hfss.get_object_id_by_name(oEditor, "air")

  144. #print ground_faceidnum

  145. air_objectid.append(air_objectidnum)

  146. print air_objectid

  147. hfss.assign_radiation(oDesign, objectname=['air'], Name='Air')


  149. raw_input('Press "Enter" to assign a lumped port on the port.>')


  151. port_faceid=[]


  153. port_faceidnum = hfss.get_face_by_position(oEditor, port, "9.5mm", 0, 0) #hardcode!!

  154. #print port_faceidnum

  155. port_faceid.append(port_faceidnum)

  156. hfss.assign_lumpedport_multimode(oDesign, "port", port_faceid,["10mm","0mm","0mm"],["11mm","0mm","0mm"])


  158. raw_input('Press "Enter" to insert analysis setup.>')  


  160. setuplist=[]


  162. setupname = hfss.insert_analysis_setup(oDesign, 2.45)


  164. setuplist.append(setupname) 


  166. raw_input('Press "Enter" to insert frequency sweep.>')  


  168. hfss.insert_frequency_sweep(oDesign,

  169.                             setupname,

  170.                             "Sweep1",

  171.                             1.5,

  172.                             3.5,

  173.                             0.1,

  174.                             IsEnabled=True,

  175.                             SetupType="LinearStep",

  176.                             Type="Discrete",

  177.                             SaveFields=True,

  178.                             ExtrapToDC=False)


  180. raw_input('Press "Enter" to solve the setup.>') 


  182. hfss.solve(oDesign,setuplist)


  184. raw_input('Press "Enter" to quit HFSS.>')


  186. hfss.quit_application(oDesktop)


  188. del oEditor

  189. del oDesign

  190. del oProject

  191. del oDesktop

  192. del oAnsoftApp

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