Matlab和CST聯(lián)合仿真在研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用

林銘團(tuán) 卞立安

摘? 要：基于電磁領(lǐng)域相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程的仿真教學(xué)需求，提出了多軟件協(xié)同仿真的教學(xué)改革模式，充分發(fā)揮各軟件的優(yōu)勢(shì)，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課仿真方式的單一性和低效率問(wèn)題。所提軟件協(xié)同仿真實(shí)驗(yàn)以貼片天線(xiàn)、天線(xiàn)陣列和編碼超材料天線(xiàn)為例子，利用Matlab的編程控制優(yōu)勢(shì)，調(diào)用CST軟件進(jìn)行建模，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模各向異性天線(xiàn)陣列的自動(dòng)化建模，有效提升了復(fù)雜系統(tǒng)仿真建模時(shí)間。該方法可促進(jìn)學(xué)生在學(xué)習(xí)中進(jìn)一步挑戰(zhàn)復(fù)雜模型的聯(lián)合仿真，有效節(jié)約時(shí)間，提升科研效率。

關(guān)鍵詞：電磁仿真? 軟件協(xié)同? CST? Matlab? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN820;G642.0? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）10（c）-0246-04

Abstract： Based on the simulation teaching demand of electromagnetics related courses， a teaching reform mode of co-simulation of multiple software is proposed， which gives play to the advantages of each software and overcomes the low efficiency problem of the traditional simulation mode that is based on single software. For example， a co-simulation experiment with Matlab and CST software is made to design a patch antenna， antenna array and a coding metamaterial antenna. With the programming ability of Matlab and the modeling function of CST， students can easily design a large-scale anisotropic antenna array with high efficiency. The proposed method can promote students to do more complex simulation efficiently and improve their ability of research.

Key Words： Electromagnetics simulation; Co-simulation; CST; Matlab; Experiment teaching

《微波電路與系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)》作為我校電磁場(chǎng)與微波技術(shù)的一門(mén)研究生選修課，承擔(dān)著培養(yǎng)電磁場(chǎng)相關(guān)領(lǐng)域的科研人才和技術(shù)工程師的任務(wù)。課程主要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度上，講述系統(tǒng)接收機(jī)的各個(gè)組成部分，包括整體系統(tǒng)架構(gòu)、有源電路、無(wú)源電路、軟件仿真和測(cè)試調(diào)試。本門(mén)課程作為研究生的一門(mén)重要實(shí)驗(yàn)課，涉及的知識(shí)基礎(chǔ)較多，相關(guān)的先修課包括《電磁場(chǎng)與電磁波》《微波電路》《天線(xiàn)原理與設(shè)計(jì)》等，學(xué)生對(duì)于上述理論知識(shí)的掌握程度較差，相關(guān)仿真計(jì)算能力僅僅停留在簡(jiǎn)單模型的建立和仿真，復(fù)雜模型以及大規(guī)模陣列的仿真計(jì)算能力有待進(jìn)一步提高。

為了提升學(xué)生微波領(lǐng)域相關(guān)的仿真能力，幫助學(xué)生更快進(jìn)入科研狀態(tài)，國(guó)內(nèi)高校推出的課程中都將電磁仿真計(jì)算列入重要的內(nèi)容，主要包括CST、HFSS、Microwave Office、ADS等電磁仿真軟件的熟悉和使用。目前，國(guó)內(nèi)有多個(gè)學(xué)校在電磁仿真領(lǐng)域內(nèi)通過(guò)教學(xué)改革提升教學(xué)質(zhì)量。比如，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院在天線(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用了CST的仿真技術(shù)[1];哈爾濱工業(yè)大學(xué)在科研項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式，設(shè)計(jì)了寬帶加脊喇叭天線(xiàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，有效地提高了教學(xué)效果[2]。然而，在實(shí)際仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施過(guò)程中仍然存在著教學(xué)手段簡(jiǎn)單、教學(xué)知識(shí)深度較淺、內(nèi)容單一等問(wèn)題。現(xiàn)有仿真實(shí)驗(yàn)更多的是停留在軟件的簡(jiǎn)單介紹和基本模型的仿真，學(xué)生難以從課堂中學(xué)到更多的高端仿真知識(shí)，對(duì)于學(xué)生尤其是研究生的建模仿真能力的提升有限。為提高實(shí)驗(yàn)課程中仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量，引入Matlab和CST軟件聯(lián)合仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)軟件高端應(yīng)用的自主學(xué)習(xí)能力，激發(fā)學(xué)生自主設(shè)計(jì)大規(guī)模復(fù)雜模型的學(xué)習(xí)興趣。

鑒于所設(shè)課程為研究生選修課程，設(shè)計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)案例必須有一定的挑戰(zhàn)性，同時(shí)為了學(xué)生能夠容易吸收，實(shí)驗(yàn)案例的開(kāi)設(shè)必須由簡(jiǎn)入繁。此外，考慮到學(xué)生的科研學(xué)術(shù)需求，將編碼超材料[3-4]這一電磁領(lǐng)域的熱點(diǎn)引入軟件聯(lián)合仿真課程中，將課程的講解立足于前沿的學(xué)術(shù)成果，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)探索的欲望。兩者相輔相成，可提高學(xué)術(shù)能力，同時(shí)掌握高端仿真計(jì)算能力。

1? 聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建

聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)基于Matlab和CST兩種軟件，首先通過(guò)簡(jiǎn)單講解兩種軟件的調(diào)用接口、語(yǔ)法規(guī)則，讓學(xué)生掌握聯(lián)合仿真的編程基礎(chǔ);在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行典型貼片天線(xiàn)的仿真，初步感受聯(lián)合仿真建模的能力;進(jìn)一步，增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度，利用聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)大規(guī)模天線(xiàn)陣列;引入編碼超材料，通過(guò)聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)各向異性編碼超材料天線(xiàn)的構(gòu)建和仿真，將課堂知識(shí)和前沿學(xué)術(shù)相結(jié)合。

（1）聯(lián)合仿真基礎(chǔ)：通過(guò)講述聯(lián)合仿真的流程，讓學(xué)生清楚聯(lián)合仿真的具體運(yùn)行機(jī)理，流程圖如圖1所示。利用Matlab編程實(shí)現(xiàn)對(duì)CST軟件的建模和仿真，當(dāng)CST仿真完畢后，利用Matlab對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、調(diào)用和處理。聯(lián)合仿真的方法充分發(fā)揮了Matlab的編程控制、數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢(shì)以及CST軟件的電磁建模和仿真優(yōu)勢(shì)，克服了CST數(shù)據(jù)處理和大規(guī)模復(fù)雜模型建模困難的問(wèn)題。

聯(lián)合仿真的本質(zhì)是Matlab利用VBA或其他語(yǔ)言與CST軟件交互。實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于matlab控制和讀取CST軟件的接口，在課程的教授過(guò)程中，將引導(dǎo)學(xué)生利用CST軟件的幫助文件，自主學(xué)習(xí)VBA Language關(guān)于建模的內(nèi)容，體會(huì)matlab調(diào)用CST軟件的語(yǔ)法規(guī)則。此外，總結(jié)了部分常用的Matlab調(diào)用語(yǔ)句，供學(xué)生快速入手聯(lián)合仿真建模實(shí)驗(yàn)，如表1所示。

（2）典型貼片天線(xiàn)的聯(lián)合建模和仿真：首先利用傳統(tǒng)的CST仿真建模方法，實(shí)現(xiàn)典型貼片天線(xiàn)的建模和仿真。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)的接口語(yǔ)法規(guī)則，在Matlab實(shí)現(xiàn)對(duì)貼片天線(xiàn)的建模和仿真，如圖2所示。讓學(xué)生在matlab編程的過(guò)程中進(jìn)一步熟悉語(yǔ)法，同時(shí)了解CST歷史樹(shù)的工作原理，為以后更復(fù)雜模型的建立奠定基礎(chǔ)。對(duì)比傳統(tǒng)仿真手段，感受聯(lián)合仿真方法“一鍵建模”、“可編程建模”的魅力所在。

（3）天線(xiàn)陣列的聯(lián)合仿真建模：在典型貼片天線(xiàn)仿真的基礎(chǔ)上，修改matlab代碼，利用聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)陣列端口饋電權(quán)值分配和模型構(gòu)建。圖3所示為利用聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)一維均勻饋電的天線(xiàn)陣結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果圖。改變饋電幅度和相位，觀(guān)察不同權(quán)值分布時(shí)方向圖的形狀。同時(shí)利用matlab調(diào)用各單元天線(xiàn)方向圖數(shù)據(jù)，進(jìn)一步在matlab中快速實(shí)現(xiàn)方向圖綜合。該方法比CST的Farfield Array功能更加強(qiáng)大，設(shè)計(jì)自由度更大。

（4）編碼超材料天線(xiàn)的聯(lián)合仿真建模：在編碼超材料天線(xiàn)這一電磁領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)進(jìn)一步探索高效的各向異性編碼超材料天線(xiàn)[5-6]的仿真。學(xué)習(xí)利用聯(lián)合仿真構(gòu)建PIN二極管通斷的等效模型建立，進(jìn)一步掌握編碼天線(xiàn)各單元的自動(dòng)化配置。構(gòu)建不同編碼的天線(xiàn)方向圖，實(shí)現(xiàn)波束掃描功能。構(gòu)建隨機(jī)矩陣，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)波束。分析不同編碼下天線(xiàn)方向圖、反射系數(shù)、增益等參數(shù)。圖4所示為編碼超材料天線(xiàn)在特定編碼下的建模和波束掃描仿真結(jié)果圖。

2? 實(shí)施方法

（1）通過(guò)課前微信群調(diào)查問(wèn)卷，了解學(xué)生電磁仿真和Matlab編程基礎(chǔ)，布置適當(dāng)?shù)膍atlab和CST仿真課前習(xí)題，上傳編碼超材料天線(xiàn)相關(guān)文章作為學(xué)生的參考。

（2）引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)網(wǎng)上學(xué)習(xí)資源熟悉了解Matlab和CST軟件的聯(lián)合仿真使用教程視頻，讓學(xué)生提前掌握熟悉軟件的使用。

（3）形成Matlab與CST的常用代碼接口程序表，為學(xué)生講解接口程序的語(yǔ)法準(zhǔn)則。

（4）利用聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)貼片天線(xiàn)、天線(xiàn)陣列和編碼超材料天線(xiàn)的建模和仿真。

（5）實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后，將涉及的聯(lián)合仿真的代碼、天線(xiàn)模型上傳至網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，作為學(xué)生課后的學(xué)習(xí)參考資料。

（6）鼓勵(lì)有想法的學(xué)生進(jìn)一步圍繞編碼超材料等其他學(xué)術(shù)前沿進(jìn)行探索，并開(kāi)始進(jìn)入課題組的項(xiàng)目。

3? 預(yù)期效果

（1）讓學(xué)生能夠深入了解CST軟件的高端使用方法，激發(fā)學(xué)生對(duì)軟件使用的熱情。

（2）啟發(fā)學(xué)生利用自動(dòng)化軟件或多軟件聯(lián)合的方式提升學(xué)習(xí)科研的效率。

（3）為電磁場(chǎng)與微波技術(shù)相關(guān)課程提供高質(zhì)量的授課內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生自主探索的科研能力。

（4）將實(shí)驗(yàn)與前沿學(xué)術(shù)相結(jié)合，啟發(fā)學(xué)生科研思路。

（5）培養(yǎng)學(xué)生研究生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽所需的聯(lián)合仿真技能。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)電磁仿真實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容單一、效率低下等問(wèn)題，提出了基于Matlab和CST的聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，并結(jié)合學(xué)術(shù)前沿，為學(xué)生提供高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。通過(guò)講解聯(lián)合仿真的基礎(chǔ)，讓學(xué)生掌握自主編程進(jìn)行聯(lián)合仿真的能力。進(jìn)一步，利用聯(lián)合仿真方法，實(shí)現(xiàn)典型貼片天線(xiàn)、天線(xiàn)陣列以及編碼超材料天線(xiàn)的建模和仿真，讓學(xué)生熟練掌握聯(lián)合仿真的技巧，提升仿真效率。將編碼超材料天線(xiàn)這一前沿技術(shù)引入課堂，不僅提高了教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)啟發(fā)了學(xué)生學(xué)術(shù)探索的欲望。

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