CST-Python實例教程二：控制 CST 建模
前言
在工程設計、求解計算的過程中，往往存在大量重復性的工作，這些工作不僅耗時耗力，而且容易出錯。為了提高工作效率，減少人為錯誤，我們希望這些重復性工作能夠被計算機自動完成，從而讓工程師從繁重的重復性勞動中解放出來，將更多的精力投入到創造性的工作中。
CST Studio Suite(R) 提供了 Python 編程接口，也提供了在 Python 環境中執行 VB 腳本的接口。并且，在 CST Studio Suite 2024 中，CST Python Libraries 的特性得到了更新。
廣州浦信系統技術有限公司發布的 CST Studio Suite(R) Python Automation and Scripting 系列文章，將會為您詳細介紹使用 Jupyter Notebook 連接到 CST Studio Suite 進行腳本控制與自動化仿真的方方面面。
現在，我們將使用 Jupyter Notebook 連接到 CST Studio Suite，通過一個演示案例，完成腳本控制建立模型、查看結果等工作，并在 Python 中進行更多自動化任務。
文章共分為5個部分，分別介紹以下內容：
搭建 Python 環境
控制 CST 建模
仿真并繪制結果
仿真優化
外部后處理
本期為第 2 篇文章，詳細介紹如何使用 Python 控制 CST 創建仿真模型。
準備工作
在上一篇文章中，我們分享了如何搭建 Python 測試環境的流程。本次案例基于上一篇文章的模型操作。
如果您保留了上次搭建環境時候的 Jupyter Notebook 工程和 CST 工程，可以在關聯文件后基于該模型繼續操作。
如果您未保留上一次的 CST 工程，可以按照以下步驟操作：
打開測試案例并檢查對應的庫
在 cmd 中輸入以下內容（注意全是小寫）即可進入控制臺。
jupyter notebook
打開測試案例，運行有以下代碼，加載必要的庫。如果有報錯提示缺少庫，使用pip安裝缺少的庫，直到無報錯出現。
import timeimport numpy as npimport matplotlib.pyplot as pltfrom scipy.optimize import minimizeimport tempfiletmp = tempfile.gettempdir()%matplotlib notebook
運行下面的代碼，加載 CST Python 庫。
# cst related importsimport cstimport cst.interfaceimport cst.resultsprint(cst.__file__) # should print '<PATH_TO_CST_AMD64>\python_cst_libraries\cst\__init__.py'
如果成功執行該命令，該單元格的輸出將打印庫的路徑。
調用 CST 并創建項目
現在，讓我們調用 CST Design Environment，開始初始化連接。
project = cst.interface.DesignEnvironment()
執行該代碼，打開 CST Design Environment，會出現提示“靜態/腳本模式已激活，彈出窗口已被阻止”彈窗，點擊“Swich to Interactive Mode”切換到交互模式即可。
運行下面的代碼，創建一個空的 CST Microwave Studio 項目。
mws_project = project.new_mws()
運行下面的代碼，激活當前項目的窗口。
mws_project.activate()
將項目保存在當前用戶的TEMP文件夾中，即C:\Users\<Users>\AppData\Local\Temp路徑。
mws_project.save(tmp+"\CST_TEST.cst")
如果提示“文件已存在”，說明此前已經保存過該文件到該目錄，沒有賦予文件操作相關的命令，無法覆蓋保存。
可以修改擬保存的項目名稱，也可以在文件管理器中訪問該路徑刪除原有文件。
此外，用戶也可以根據自己的需求，將項目文件保存到指定的位置。
創建 offset 參數
在模型中創建一個名為offset的參數。
mws_project.model3d.StoreDoubleParameter("offset",3)請檢查該參數在項目參數列表中是否可見。
建模
CST 支持 Python 與 VBA，并通過在 Python 調用封裝的 VBA 命令，以獲得完整的腳本功能。
在這里，我們先使用 VBA 定義模型，隨后使用 Python 命令add_to_history將之前定義的建模命令添加到 History List 中，以完成建模操作。
模型介紹
選用一個 T 型波導進行建模演示。在 T 形波導結構中，中間的金屬結構通常被稱為“探針”，它的作用主要是將能量從主波導耦合到分支波導，或者從分支波導耦合到主波導。
改變探針的位置，能夠改變波導內部的場分布。前面設置的offset參數的作用就是修改探針的位置。這個參數在建模和優化的過程中會用到。
我們嘗試使用命令來進行建模操作。
使用 VBA 定義命令
在該操作的中間步驟中，并非所有的 VBA 命令都有對應的本地 Python 命令。
不過，為了保證操作的連續性，通過在 Python 中調用封裝的 VBA 命令，仍然可以獲得完整的腳本功能控制 CST。
接下來將通過 VBA 代碼來定義一些命令。
設置求解器參數
設置仿真頻率為 8-10 GHz，并設置一個 9GHz 場監視器，求解器選用 T 求解器。
Full_History = """'Set FreqSolver.FrequencyRange 8, 10"""Full_History = Full_History + """'Define MonitorWith Monitor .Reset .Name "e-field (f=9)" .Dimension "Volume" .Domain "Frequency" .FieldType "Efield" .Frequency 9 .CreateEnd With"""Full_History = Full_History + """'Define SolverChangeSolverType "HF Time Domain"With Solver .CalculationType "TD-S" .StimulationPort "1" .StimulationMode "1" .MeshAdaption False .CalculateModesOnly False .SParaSymmetry False .StoreTDResultsInCache False .FullDeembedding False .UseDistributedComputing FalseEnd With"""
創建 T 型波導模型
Full_History = Full_History + """'Define UnitsWith Units .Geometry "mm" .Frequency "ghz" .Time "ns" End With ' set workplane propertiesWith WCS .SetWorkplaneSize "50" .SetWorkplaneRaster "10" .SetWorkplaneSnap "TRUE" .SetWorkplaneSnapRaster "5"End With' new component: component1Component.New "component1" ' define brick: component1:solid1With Brick .Reset .Name "solid1" .Component "component1" .Material "Vacuum" .Xrange "-10", "10" .Yrange "0", "10" .Zrange "0", "40" .CreateEnd With' pick facePick.PickFaceFromId "component1:solid1", "6" ' align wcs with faceWCS.AlignWCSWithSelectedFace Pick.PickCenterpointFromId "component1:solid1", "6" WCS.AlignWCSWithSelectedPoint ' define brick: component1:solid2With Brick .Reset .Name "solid2" .Component "component1" .Material "Vacuum" .Xrange "-5", "5" .Yrange "-10", "10" .Zrange "0", "20" .CreateEnd With' pick facePick.PickFaceFromId "component1:solid2", "1" ' define port: 1With Port .Reset .PortNumber "1" .NumberOfModes "1" .AdjustPolarization False .PolarizationAngle "0.0" .ReferencePlaneDistance "0" .TextSize "50" .Coordinates "Picks" .Orientation "xmax" .PortOnBound "True" .ClipPickedPortToBound "False" .Xrange "30", "30" .Yrange "0", "10" .Zrange "10", "30" .Create End With ' pick facePick.PickFaceFromId "component1:solid1", "1" ' define port: 2With Port .Reset .PortNumber "2" .NumberOfModes "1" .AdjustPolarization False .PolarizationAngle "0.0" .ReferencePlaneDistance "0" .TextSize "50" .Coordinates "Picks" .Orientation "zmax" .PortOnBound "True" .ClipPickedPortToBound "False" .Xrange "-10", "10" .Yrange "0", "10" .Zrange "40", "40" .Create End With ' pick facePick.PickFaceFromId "component1:solid1", "2" ' define port: 3With Port .Reset .PortNumber "3" .NumberOfModes "1" .AdjustPolarization False .PolarizationAngle "0.0" .ReferencePlaneDistance "0" .TextSize "50" .Coordinates "Picks" .Orientation "zmin" .PortOnBound "True" .ClipPickedPortToBound "False" .Xrange "-10", "10" .Yrange "0", "10" .Zrange "0", "0" .Create End With ' define boundariesWith Boundary .Xmin "electric" .Xmax "electric" .Ymin "electric" .Ymax "electric" .Zmin "electric" .Zmax "electric" .Xsymmetry "none" .Ysymmetry "electric" .Zsymmetry "none" End With' define backgroundWith Background .ResetBackground .XminSpace "0.0" .XmaxSpace "0.0" .YminSpace "0.0" .YmaxSpace "0.0" .ZminSpace "0.0" .ZmaxSpace "0.0" .ApplyInAllDirections "False" End With With Material .Reset .FrqType "all" .Type "Pec" .MaterialUnit "Frequency", "Hz" .MaterialUnit "Geometry", "m" .MaterialUnit "Time", "s" .MaterialUnit "Temperature", "Kelvin" .Epsilon "1.0" .Mu "1.0" .ReferenceCoordSystem "Global" .CoordSystemType "Cartesian" .NLAnisotropy "False" .NLAStackingFactor "1" .NLADirectionX "1" .NLADirectionY "0" .NLADirectionZ "0" .Rho "0.0" .ThermalType "Normal" .ThermalConductivity "0.0" .SpecificHeat "0.0", "J/K/kg" .MetabolicRate "0" .BloodFlow "0" .VoxelConvection "0" .MechanicsType "Unused" .Colour "0.6", "0.6", "0.6" .Wireframe "False" .Reflection "False" .Allowoutline "True" .Transparentoutline "False" .Transparency "0" .ChangeBackgroundMaterialEnd With ' activate global coordinatesWCS.ActivateWCS "global"' boolean add shapes: component1:solid1, component1:solid2Solid.Add "component1:solid1", "component1:solid2" ' pick facePick.PickFaceFromId "component1:solid1", "11" ' align wcs with faceWCS.AlignWCSWithSelectedFace Pick.PickCenterpointFromId "component1:solid1", "11" WCS.AlignWCSWithSelectedPoint ' store picked point: 1Pick.NextPickToDatabase "1" Pick.PickEndpointFromId "component1:solid1", "9"' define cylinder: component1:solid2With Cylinder .Reset .Name "solid2" .Component "component1" .Material "PEC" .OuterRadius "1" .InnerRadius "0" .Axis "z" .Zrange "zp(1)", "0" .Xcenter "-10+offset" .Ycenter "0" .Segments "0" .Create End With ' activate global coordinatesWCS.ActivateWCS "global""""
將建模命令添加到 History List
隨后，我們向 CST 發送建模命令。
注意，這次我們使用的是 Python 命令add_to_history。這將執行我們之前定義的命令字符串，并將這些命令添加到 History List 中。
mws_project.model3d.add_to_history ("My_Splitter" , Full_History)
檢查幾何體是否在界面中可見，并檢查求解器和頻率設置。
至此，已經完成建模、設置場監視器和求解器的步驟。
總結
CST 支持 Python 與 VBA，并通過在 Python 調用封裝的 VBA 命令，獲得完整的腳本功能。
先使用 VBA 定義模型，隨后使用 Python 命令
add_to_history將之前定義的建模等命令添加到 History List 中，以完成建模操作。
