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利用matlab实现CST超表面阵列的自动建模

java 2025/8/26 16:10:37

实现CST自动建模的便捷小工具

一、背景与动机

超表面作为一种二维人工电磁材料，在电磁波调控领域展现出巨大的潜力。然而，其设计过程，特别是对于大规模阵列，通常涉及复杂的相位计算和繁琐的三维建模工作。传统的设计流程需要在不同软件之间手动传递数据，不仅耗时耗力，而且极易出错。为了应对这些挑战，开发了此款集成化的MATLAB应用程序，方便自己建模。

于是制作了一款基于MATLABAppDesigner开发的图形用户界面（GUI）工具，旨在简化反射、透射超表面的设计与仿真流程。该工具集成了参数化的相位分布计算、相位数据叠加处理以及与CST Studio Suite®的自动化建模接口三大核心功能。通过该工具，用户能够高效生成和处理复杂的相位分布，并将其一键转换为CST中的三维仿真模型，从而显著提升科研、研发效率。

二、功能模块详解

本应用程序主要由以下三个功能模块构成，界面布局清晰，逻辑明确。包括：

基础相位计算
相位数据叠加
cst自动建模

模块1：参数化相位计算

此模块为用户提供了一个快速生成多种典型超表面所需相位分布的功能。用户仅需输入关键物理参数，即可获得相应的相位矩阵，包括不同模态的涡旋波、不同偏转角、以及补偿相位的设置。

主要功能特性包括：

参数化设置: 支持对阵列单元数量、中心工作频率、物理尺寸等基础参数进行灵活配置。
相位分布生成: 内置了三种核心的相位计算模型：
1. 涡旋波束相位: 可根据用户设定的拓扑荷数，生成携带轨道角动量的涡旋相位。
2. 波束偏转相位: 用户通过指定波束的俯仰角（theta）和方位角（phi），可生成实现波束偏转所需的梯度相位。
3. 馈源补偿相位: 针对反射阵或透射阵天线，可通过输入馈源的空间坐标，生成用于球面波-平面波转换的补偿相位，同样的道理也可利用其进行电磁波聚焦操作。
组合与可视化: 应用程序能够自动计算并实时显示上述基础相位的多种组合形态，便于用户进行综合分析。
数据导出: 所有生成的相位图谱和对应的数值矩阵均支持导出为标准格式的图像文件（如PNG）和数据文件（如TXT），以用于后续模块的分析与归档。

模块2：相位数据叠加与处理**

该模块为处理已有的相位数据提供了便捷的工具，尤其适用于需要将两种不同功能的相位进行线性组合的场景。

主要功能特性包括：

外部数据导入: 支持从文本文件（.txt, .dat等）中导入两个独立的相位分布矩阵（相位A和相位B）。

数学运算: 可对导入的两个相位矩阵执行加法（A+B）或减法（A-B）运算。
尺寸兼容性处理: 当导入的两个矩阵维度不一致时，系统将自动启用中心对齐算法进行处理，以保证运算的有效性，并向用户发出提示。
结果呈现与保存: 运算前后的所有相位分布（A, B, A+B, A-B）均会进行可视化展示，且计算结果同样支持导出。

模块3：CST自动化建模接口

此模块是本工具的核心，它构建了app与CST Studio Suite®之间的通信桥梁，实现了超表面阵列的自动化、程序化建模。

自动化建模流程：

选择阵列实现方式:
- 几何相位（PB相位）: 此模式适用于通过单元结构旋转来引入相位突变的超表面。程序将读取相位数据文件，并将每个单元的相位值转换为相应的旋转角度，进而控制CST中预设单元的姿态。
- 传播相位（数字编码）: 此模式适用于由几种具有不同相位响应的单元构成的编码或数字超表面。程序会根据相位数据和用户设定的编码数（例如编码数4，2-bit、编码数8，3-bit），将连续的相位文件量化为离散的编码状态，并从CST库中调用相应的预设单元进行阵列排布。
文件路径指定: 用户需指定包含最终相位分布的阵列数据文件，以及一个包含基础单元模型的CST工程文件作为模板。

注意：