基于CST与MATLAB联合仿真的天线优化设计

设计

摘要：CST软件提供开放的接口，具备和MATLAB相互调用能力，通过MATLAB与CST联合仿真，不仅仅能够进行复杂天线的优化仿真设计，同时还具备了利用智能算法优化天线设计的能力，本文对CST与matlab联合进行复杂天线仿真设计，展示了联合仿真的实用性和可行性。

关键字：CST；MATLAB；联合仿真；优化设计 中图分类

号： 文献标识： 文章编号：

引用格式

Antenna Optimization Design Based on CST and MATLAB Software Xie Chao

Jiangnan Institute of Mechanical and Electrical Design

Abstract：CST software provides an open interface and has the ability to call each other with MATLAB,Through the joint simulation of MATLAB and CST software ,it is not only able to optimize the simulation design of complex antennas,but also has the ability to optimize antenna design using intelligent algorithms,In this paper CST and MATLAB software are used to jointly simulate and design complex antennas,demonstrating the practicability and feasibility of joint simulation.

Keywords：CST；MATLAB；joint simulation；optimize design

1 引言

CST采用有限积分法技术，可以快速精确的进行电磁场仿真，应用领域非常广泛，可以有效的对天线、滤波器等微波器件进行设计和分析[1]。对于复杂的天线优化，CST可以通过设置变量的方式依次进行仿真，采用该优化方法存在两个缺点，其一是不能采用先进的优化算法对天线参数进行优化，仿真速度慢，资源消耗大，不具备多参数快速优化功能，尤其是对于具有多个优化参数的复杂天线；其二是优化后的最优结果软件没有评判标准，只能通过人工对仿真结果进行判定。针对上述缺点采用CST与MATLAB联合仿真，能够利用先进优化算法如遗传算法

[2]、蚁群算法[3]等先进算法完成优化设计工作。

2 联合仿真流程

通过MATLAB与CST进行MWS（CST微波工作室）联合仿真步骤如图1所示，整个仿真代码均在MATLAB平台内实现，CST软件根据MATLAB代码完成仿真变量设置、建模、仿真等步骤，仿真结束后完成数据存储，MATLAB读取存储数据后对仿真结果进行判断，若仿真结果未达到最优效果，则继续利用智能算法对模型参数进行优化，直达满足设计要求为止，通过MATLAB与CST联合仿真，能够对复杂天线的建模仿真和优化，同时由于智能算法的加入，使仿真更加高效。

图1 MATLAB与CST联合仿真流程图

3 联合建模仿真

在进行MATLAB与CST联合仿真之前，需完成CST与MATLAB握手、CST工程创建工作。

MATLAB通过系统提供的接口函数完成与CST软件握手。代码如下：

cst=actxserver('CSTStudio.application');

MATLAB通过系统提供的接口函数完成与CST软件握手代码如下

mws = invoke(cst, 'NewMWS');

invoke(mws,‘OpenFile’，'filename.cst');

上述语句作用为打开CST mws窗口，创建工程，为接下来的建模仿真提供基础。CST采用VBA语言建模，具有操作方便简单的优点，因此，可以通过在CST完成建模后，再由VBA语言实现MATLAB驱动CST建模。建模方法见图2所示。

图2 CST软件建模及VBA语言实现 根据图2完成MATLAB建模代码如下： invk = invoke(mws, 'Cylinder'); invoke(invk, 'Reset');

invoke(invk, 'Name','solid1');

invoke(invk,'Component','component1'); invoke(invk, 'Material','PEC'); invoke(invk, 'OuterRadius','1');

invoke(invk, 'InnerRadius','0');

invoke(invk, 'Axis','z');

invoke(invk, 'Zrange','-1','30'); invoke(invk, 'Ycenter','0'); invoke(invk, 'Segments','0'); invoke(invk, 'Create') release(invk)；

建模完成后，利用上述方法需进行仿真参数设置，包括MESH网格设置、工作频率、观测器、边界条件及对称面、激励端口及求解器的设置。

4 仿真结果

通过MATLAB来驱动CST联合仿真，其中天线物理模型以及仿真所需的介质材料、端口设置等全部通过MATLAB代码实现，MATLAB通过控件调用CST软件完成天线仿真。采用该方法具备两个突出特点，其一能够完成复杂模型的建模，其二能够利用先进算法，通过MATLAB驱动CST完成优化。利用该仿真方法，对结构复杂的定向超宽带对数周期天线[4]进行联合仿真（工作频段0.4 GHz -0.9GHz），天线模型利用MATLAB驱动CST实现过程见下图3所示，S11和天线方向图仿真结果分别见图4和图5所示。

图3 对数周期天线建模过程示意图

图4 S11仿真结果

（a） 0.4GHz与0.5GHz天线方向图

（b） 0.6GHz与0.8GHz天线方向图 图5 天线方向图仿真结果

通过图4和图5仿真可知，在0.4GHz-0.8GHz工作带宽内，该天线的S11参数值约为-10dB，且天线增益约为8dB，天线方向性好。试验结果表明通过CST与MATLAB联合仿真具备实现复杂天线的建模仿真能力。

5 总结

通过MATLAB与CST联合仿真能够实现复杂天线模型设计和优化，在天线设计中能够起到很好的辅助作用。

[1] CST工作室套装系列丛书；

[2] 郭永骏，遗传算法综述，科技创新：2013；

[3] 任伟建等，蚁群算法综述，2007年中国控制与决策学术年会； [4] J．Yin，J．Yang and so on，“The Circular Eleven Antenna：A New Decade．Bandwidth Feed for Reflector Antennas With High Aperture Efficiency”，IEEE Trans．on Antennas Propag．2013．