用Python实现喇叭天线设计小工具（三）

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摘要：本节主要介绍波导查值模块，以及HFSS调用模块的编写。

波导查值模块

该部分要实现的功能主要是根据输入的工作频率，自动选择合适的标准波导尺寸，免去翻资料的麻烦，实现起来逻辑很简单，也就是单纯地根据条件来查值，查值方法有两种：

根据工作频点来判断；
根据波导名直接查询；

两种方式均可用简单的函数来实现，代码如下所示（wg.py）：

"""
波导尺寸查询
"""

# 标准波导尺寸表
wg_list = (
    ('BJ3', 0.32, 0.49, 584.2, 292.1),
    ('BJ4', 0.35, 0.53, 533.4, 266.7),
    ('BJ5', 0.41, 0.62, 457.2, 228.6),
    ('BJ6', 0.49, 0.75, 381.0, 190.5),
    ('BJ8', 0.64, 0.98, 292.1, 146.05),
    ('BJ9', 0.76, 1.15, 247.65, 123.82),
    ('BJ12', 0.96, 1.46, 195.58, 97.79),
    ('BJ14', 1.13, 1.73, 165.10, 82.55),
    ('BJ18', 1.45, 2.20, 129.54, 64.77),
    ('BJ22', 1.72, 2.61, 109.22, 54.61),
    ('BJ26', 2.17, 3.30, 86.36, 43.18),
    ('BJ32', 2.60, 3.35, 72.14, 34.04),
    ('BJ40', 3.22, 4.90, 58.17, 29.08),
    ('BJ48', 3.94, 5.99, 47.549, 22.149),
    ('BJ58', 4.64, 7.05, 40.386, 20.193),
    ('BJ70', 5.38, 8.17, 34.849, 15.799),
    ('BJ84', 6.57, 9.99, 28.499, 12.624),
    ('BJ100', 8.20, 12.5, 22.86, 10.160),
    ('BJ120', 9.84, 15.0, 19.050, 9.525),
    ('BJ140', 11.9, 18.0, 15.799, 7.899),
    ('BJ180', 14.5, 22.0, 12.954, 6.477),
    ('BJ220', 17.6, 26.7, 10.668, 4.318),
    ('BJ260', 21.7, 33.0, 8.636, 4.318),
    ('BJ320', 26.3, 40.0, 7.112, 3.556),
    ('BJ400', 32.9, 50.1, 5.690, 2.845),
    ('BJ500', 39.2, 59.6, 4.775, 2.388),
    ('BJ620', 49.8, 75.8, 3.759, 1.880),
)


def check_by_freq(freq):
    """
    通过输入频点查找标准波导尺寸
    :param freq: 频点，GHz
    :return: 波导的宽边a和短边b，mm
    """
    a, b = None, None
    for i in wg_list:
        if i[1] <= freq <= i[2]:
            a, b = i[3], i[4]
            break
    return a, b


def check_by_name(name):
    """
    通过名称来查找标准波导尺寸
    :param name: 波导名，如‘BJ100’
    :return: 波导的宽边a和短边b，mm
    """
    a, b = None, None
    for i in wg_list:
        if i[0] == name:
            a, b = i[3], i[4]
            break
    return a, b


if __name__ == '__main__':
    a1, b1 = check_by_freq(25)
    a2, b2 = check_by_name('BJ320')
    print(a1, b1)
    print(a2, b2)

实际使用中第一种“自动判断”的场景要多一些，但有时候也会特别指定波导型号，故两者皆写好供调用。

HFSS调用模块

这一部分是稍微比较麻烦的，需要用到HFSS自己的“代码录制”功能和Python的win32com模块。

首先，众所周知，HFSS支持脚本控制，可将操作录制为一段脚本，便于自动化运行以及实现较为复杂的建模功能，该功能位于Tools——Record Script to File中，支持vbs和python两种格式（早期版本仅支持vbs）。

因此，要调用HFSS建模，自然会想到先用“代码录制”功能将建模操作录制下来，再进行简单修改，最后再想办法用python直接运行调用。

顺着这个思路，首先梳理下角锥喇叭的建模步骤，以及对应步骤抽象出来的封装函数（注：建模方法当然不止一种，以下仅为个人习惯方式）：

设置变量。个人习惯先把变量建好，这一步操作应抽象并封装成函数：

设置变量（set_variable）——1

建喇叭天线内腔。画两个同尺寸矩形，connect而成立方体；再画两个不同尺寸矩形，connect而成锥台；两者unite而成联合体。这一步操作有：

画一个矩形（create_centered_rectangle）——2
联合两个面（connect）——3
布尔和（unite）——4

建喇叭天线体并设为金属。采用同上方法画一个更大一些的联合体，然后与第一步得到的联合体相减，最后设置材料为PEC，新操作有：

复制（copy_and_paste）——5
布尔差（subtract）——6
设置材料属性（set_material）——7

建空气盒子和辐射边界。操作有：

画一个区域（create_region）——8
设置辐射边界（assign_radiation_region）——9
插入方向图设置（insert_radiation_setup）——10

画端口并设置解算参数。操作有：

画一个端口（assign_port）——11
设置解算参数（insert_analysis_setup）——12

保存工程后仿真并生成报告。操作有：

保存（save_prj）——13
仿真（run）——14
生成仿真报告（create_reports）——15

梳理以后发现，完成一个喇叭建模，竟然大概要写15个函数。。。感觉不知比直接建模要麻烦到哪儿去了，但考虑到这些函数写好了，以后可以被大量复用，相当在于写一个小型API，故是一种先难后易的做法。

对于每一个封装函数的实现，操作步骤为先用HFSS录制脚本，在进行修改。以实现并封装set_variable这个函数为例，首先在HFSS中设一个名为w1，值为20mm的变量，把这段操作录制为py程序，打开后如下所示：

# ----------------------------------------------
# Script Recorded by ANSYS Electronics Desktop Version 2018.0.0
# 10:13:34  十一月 17, 2018
# ----------------------------------------------
import ScriptEnv
ScriptEnv.Initialize("Ansoft.ElectronicsDesktop")
oDesktop.RestoreWindow()
oProject = oDesktop.SetActiveProject("Project2")
oDesign = oProject.SetActiveDesign("HFSSDesign1")
oDesign.ChangeProperty(
   [
      "NAME:AllTabs",
      [
         "NAME:LocalVariableTab",
         [
            "NAME:PropServers", 
            "LocalVariables"
         ],
         [
            "NAME:NewProps",
            [
               "NAME:w1",
               "PropType:="      , "VariableProp",
               "UserDef:="       , True,
               "Value:="     , "20mm"
            ]
         ]
      ]
   ])

这段原始代码有以下几点要注意：

一个HFSS专属坑。一定得要先删除注释中的中文和中文符号！！！这点特别坑爹，HFSS不能正确识别任何带中文字符的路径和脚本，连它自己录制的也不行（希望HFSS下个版本能改掉这个万年bug）；

引用模块调用无效。import ScriptEnv 在HFSS外部调用时没有意义，因为这不是一个通用的Python包，也就是说想在Python中写这么一段就调用HFSS是不可能的；

格式。格式有点杂乱，相当地不pythonic，这当然是不能忍的，应手动调整一下。

改写后的代码如下所示（将变量名与变量值设成了输入参数）：

def set_variable(_var_name, _var_value):
    _NAME = 'NAME:'   _var_name
    _VALUE = str(_var_value)   'mm'
    oDesign.ChangeProperty(["NAME:AllTabs",
                            ["NAME:LocalVariableTab",
                             ["NAME:PropServers", "LocalVariables"],
                             ["NAME:NewProps",
                              [_NAME, "PropType:=", "VariableProp", "UserDef:=", True, "Value:=", _VALUE]]]])

改写以后，是否感觉清爽了很多？采用这种思路，将15个函数统统编好，为了调用方便，再整体封装为一个对象HFSS，程序就比较像样了。

最后要强调的就是，通过查阅各种资料，我个人认为在Python中直接打开HFSS最好的方式还是要借助win32com这个模块，其介绍如下：

python模块:win32com用法详解 - 杜雪峰的个人页面 - 开源中国my.oschina.net

综合以上，形成HFSS调用模块，其代码如下（sim.py）：

from win32com import client
import os


class HFSS:
    def __init__(self):
        self.oAnsoftApp = client.Dispatch('AnsoftHfss.HfssScriptInterface')
        self.oDesktop = self.oAnsoftApp.GetAppDesktop()
        self.oProject = self.oDesktop.NewProject()
        self.oProject.InsertDesign('HFSS', 'HFSSDesign1', 'DrivenModal1', '')
        self.oDesign = self.oProject.SetActiveDesign("HFSSDesign1")
        self.oEditor = self.oDesign.SetActiveEditor("3D Modeler")
        self.oModule = self.oDesign.GetModule('BoundarySetup')
        self.transparency = 0.5

    def set_variable(self, _var_name, _var_value):
        _NAME = 'NAME:'   _var_name
        _VALUE = str(_var_value)   'mm'
        self.oDesign.ChangeProperty(["NAME:AllTabs",
                                     ["NAME:LocalVariableTab",
                                      ["NAME:PropServers", "LocalVariables"],
                                      ["NAME:NewProps",
                                       [_NAME, "PropType:=", "VariableProp", "UserDef:=", True, "Value:=", _VALUE]]]])

    def create_centered_rectangle(self, _var_x, _var_y, _var_z, _name, _dir='Z'):
        self.oEditor.CreateRectangle(
            [
                "NAME:RectangleParameters",
                "IsCovered:=", True,
                "XStart:=", '-'   _var_x   '/2',
                "YStart:=", '-'   _var_y   '/2',
                "ZStart:=", _var_z,
                "Width:=", _var_x,
                "Height:=", _var_y,
                "WhichAxis:=", _dir
            ],
            [
                "NAME:Attributes",
                "Name:=", _name,
                "Flags:=", "",
                "Color:=", "(143 175 143)",
                "Transparency:=", 0,
                "PartCoordinateSystem:=", "Global",
                "UDMId:=", "",
                "MaterialValue:=", "\"vacuum\"",
                "SurfaceMaterialValue:=", "\"\"",
                "SolveInside:=", True,
                "IsMaterialEditable:=", True,
                "UseMaterialAppearance:=", False
            ])

    def connect(self, _obj1, _obj2):
        self.oEditor.Connect(["NAME:Selections", "Selections:=", _obj1   ','   _obj2])

    def unite(self, _obj1, _obj2):
        self.oEditor.Unite(["NAME:Selections", "Selections:=", _obj1   ','   _obj2],
                           ["NAME:UniteParameters", "KeepOriginals:=", False])

    def subtract(self, _obj1, _obj2):
        self.oEditor.Subtract(["NAME:Selections", "Blank Parts:=", _obj1, "Tool Parts:=", _obj2],
                              ["NAME:SubtractParameters", "KeepOriginals:=", False])

    def copy_and_paste(self, _obj):
        self.oEditor.Copy(["NAME:Selections", "Selections:=", _obj])
        self.oEditor.Paste()

    def set_material(self, _obj, _mat='pec'):
        self.oEditor.AssignMaterial(
            [
                "NAME:Selections",
                "AllowRegionDependentPartSelectionForPMLCreation:=", True,
                "AllowRegionSelectionForPMLCreation:=", True,
                "Selections:=", _obj
            ],
            [
                "NAME:Attributes",
                "MaterialValue:=", "\""   _mat   "\"",
                "SolveInside:=", False,
                "IsMaterialEditable:=", True,
                "UseMaterialAppearance:=", False
            ])

    def assign_port(self, _obj):
        self.oModule.AssignWavePort(["NAME:1", "Objects:=", [_obj],
                                     "NumModes:=", 1, "RenormalizeAllTerminals:=", True,
                                     "UseLineModeAlignment:=", False, "DoDeembed:=", False,
                                     ["NAME:Modes",
                                      ["NAME:Mode1", "ModeNum:=", 1, "UseIntLine:=", False, "CharImp:=", "Zpi"]],
                                     "ShowReporterFilter:=", False,
                                     "ReporterFilter:=", [True],
                                     "UseAnalyticAlignment:=", False])

    def create_region(self, _var_ab):
        self.oEditor.CreateRegion(
            [
                "NAME:RegionParameters",
                " XPaddingType:=", "Absolute Offset",
                " XPadding:=", _var_ab,
                "-XPaddingType:=", "Absolute Offset",
                "-XPadding:=", _var_ab,
                " YPaddingType:=", "Absolute Offset",
                " YPadding:=", _var_ab,
                "-YPaddingType:=", "Absolute Offset",
                "-YPadding:=", _var_ab,
                " ZPaddingType:=", "Absolute Offset",
                " ZPadding:=", _var_ab,
                "-ZPaddingType:=", "Absolute Offset",
                "-ZPadding:=", _var_ab
            ],
            [
                "NAME:Attributes",
                "Name:=", "Region",
                "Flags:=", "Wireframe#",
                "Color:=", "(143 175 143)",
                "Transparency:=", 0,
                "PartCoordinateSystem:=", "Global",
                "UDMId:=", "",
                "MaterialValue:=", "\"vacuum\"",
                "SurfaceMaterialValue:=", "\"\"",
                "SolveInside:=", True,
                "IsMaterialEditable:=", True,
                "UseMaterialAppearance:=", False
            ])

    def assign_radiation_region(self):
        self.oModule.AssignRadiation(
            [
                "NAME:Rad1",
                "Objects:=", ["Region"],
                "IsFssReference:=", False,
                "IsForPML:=", False
            ])

    def insert_radiation_setup(self):
        mod = self.oDesign.GetModule('RadField')
        mod.InsertFarFieldSphereSetup(
            [
                "NAME:Infinite Sphere1",
                "UseCustomRadiationSurface:=", False,
                "ThetaStart:=", "-180deg",
                "ThetaStop:=", "180deg",
                "ThetaStep:=", "1deg",
                "PhiStart:=", "0deg",
                "PhiStop:=", "90deg",
                "PhiStep:=", "90deg",
                "UseLocalCS:=", False
            ])

    def insert_analysis_setup(self, _freq):
        mod = self.oDesign.GetModule('AnalysisSetup')
        mod.InsertSetup("HfssDriven",
        [
            "NAME:Setup1",
            "AdaptMultipleFreqs:=", False,
            "Frequency:=", str(_freq)   'GHz',
            "MaxDeltaS:=", 0.02,
            "PortsOnly:=", False,
            "UseMatrixConv:=", False,
            "MaximumPasses:=", 20,
            "MinimumPasses:=", 1,
            "MinimumConvergedPasses:=", 1,
            "PercentRefinement:=", 30,
            "IsEnabled:=", True,
            "BasisOrder:=", 1,
            "DoLambdaRefine:=", True,
            "DoMaterialLambda:=", True,
            "SetLambdaTarget:=", False,
            "Target:=", 0.3333,
            "UseMaxTetIncrease:=", False,
            "PortAccuracy:=", 2,
            "UseABCOnPort:=", False,
            "SetPortMinMaxTri:=", False,
            "UseDomains:=", False,
            "UseIterativeSolver:=", False,
            "SaveRadFieldsOnly:=", False,
            "SaveAnyFields:=", True,
            "IESolverType:=", "Auto",
            "LambdaTargetForIESolver:=", 0.15,
            "UseDefaultLambdaTgtForIESolver:=", True
        ])

    def create_reports(self):
        mod = self.oDesign.GetModule('ReportSetup')
        mod.CreateReport("VSWR Plot 1", "Modal Solution Data", "Rectangular Plot", "Setup1 : LastAdaptive", [],
                         ["Freq:=", ["All"], ],
                         ["X Component:=", "Freq",
                          "Y Component:=", ["VSWR(1)"]], [])

        mod.CreateReport("Realized Gain Plot 1", "Far Fields", "Rectangular Plot", "Setup1 : LastAdaptive",
                         ["Context:=", "Infinite Sphere1"],
                         [
                            "Theta:=", ["All"],
                            "Phi:=", ["All"],
                            "Freq:=", ["All"],
                         ],
                         [
                            "X Component:=", "Theta",
                            "Y Component:=", ["dB(RealizedGainTotal)"]
                         ], [])
        mod.AddTraceCharacteristics("Realized Gain Plot 1", "max", [], ["Full"])
        mod.AddTraceCharacteristics("Realized Gain Plot 1", "xdb10Beamwidth", ["3"], ["Full"])

    def save_prj(self):
        _base_path = os.getcwd()
        _prj_num = 1
        while True:
            _path = os.path.join(_base_path, 'Prj{}.aedt'.format(_prj_num))
            if os.path.exists(_path):
                _prj_num  = 1
            else:
                break
        self.oProject.SaveAs(_path, True)

    def run(self):
        self.oDesktop.RestoreWindow()
        self.oDesign.Analyze('Setup1')

调用方法是首先实例化HFSS对象，再使用其方法，就可以顺利调用HFSS啦，例如：

if __name__ == '__main__':
    h = HFSS()

    # 设置变量
    h.set_variable('wg_a', 22.86)
    h.set_variable('wg_b', 10.16)

    # 画个矩形
    h.create_centered_rectangle('wg_a', 'wg_b', 0, 'wg_in')

    # 保存一下
    h.save_prj()

要注意的是，save_prj函数会将新建立的工程保存在与程序同样目录中，这个目录的路径照例不可以有任何中文符号，否则HFSS保存出错，至于文件名，save_prj函数中已作了简单的判重处理，不用担心覆盖，当然，有特别需求的请自行修改。

小结

本部分是相对比较麻烦的部分，相当于写了一个HFSS与Python之间的通讯接口，然而后续将会看到，有了这部分基础，主调程序才可以用相对清晰的逻辑来操作HFSS建模。

本篇介绍即到此结束，下一部分将会讲到主调用模块及GUI模块，谢谢各位观看(*^_^*)！

Peace！

云计算理论科普 HFSS

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首次发布时间：2020-10-26