利用Python与HFSS联合仿真设计微带天线(全文共附260多行代码)

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

2. 
   

3. import win32com.client

4. 
   

5. def setup_interface():

6.     """

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

8. 
   

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

15. 
    

16.     Examples

17.     --------

18.     >>> import Hyphasis as hfss

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

20. 
    

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')

27. 
    

28.     oDesktop = oAnsoftApp.GetAppDesktop()

29. 
    

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。

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。

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>')

2. 
   

3. ground = hfss.create_rectangle(

4.     oEditor,   

5.     "-45mm", 

6.     "-45mm", 

7.     0,

8.     "90mm", 

9.     "90mm",

10.     Name='ground',

11.     Transparency=0.8)

12. 
    

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）：

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.>')  

2. 
   

3. setuplist=[]

4. 
   

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

6. 
   

7. setuplist.append(setupname) 

8. 
   

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

10. 
    

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)

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. """

6. 
   

7. from __future__ import division

8. 
   

9. import hycohanz as hfss

10. 
    

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

12. 
    

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

14. 
    

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

16. 
    

17. oProject = hfss.new_project(oDesktop)

18. 
    

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

20. 
    

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

22. 
    

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

24. 
    

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

26. 
    

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

28. 
    

29. oEditor = hfss.set_active_editor(oDesign)

30. 
    

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

32. 
    

33. ground = hfss.create_rectangle(

34.     oEditor,   

35.     "-45mm", 

36.     "-45mm", 

37.     0,

38.     "90mm", 

39.     "90mm",

40.     Name='ground',

41.     Transparency=0.8)

42. 
    

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)

49. 
    

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

51. 
    

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

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

54. 
    

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

56. 
    

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)

67. 
    

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

69. 
    

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

71. 
    

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

73. 
    

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

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

76. 
    

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

78. 
    

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)

88. 
    

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)

96. 
    

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

98. 
    

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)

108. 
     

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

110. 
     

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

112. 
     

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

114. 
     

115. port = hfss.create_circle(

116.     oEditor,   

117.     "9.5mm", 

118.     0, 

119.     0,

120.     "1.5mm", 

121.     Name='port',

122.     Transparency=0.8)

123. 
     

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

125. 
     

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

127. 
     

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

129. 
     

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)

140. 
     

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')

148. 
     

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

150. 
     

151. port_faceid=[]

152. 
     

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"])

157. 
     

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

159. 
     

160. setuplist=[]

161. 
     

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

163. 
     

164. setuplist.append(setupname) 

165. 
     

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

167. 
     

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)

179. 
     

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

181. 
     

182. hfss.solve(oDesign,setuplist)

183. 
     

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

185. 
     

186. hfss.quit_application(oDesktop)

187. 
     

188. del oEditor

189. del oDesign

190. del oProject

191. del oDesktop

192. del oAnsoftApp