第1期 | CST超表面自动化：MATLAB一行代码搞定建模 + 仿真 + S参数导出

CST超表面工坊

635人浏览 · 2026-03-22 12:14:30

CST超表面工坊 · 2026-03-22 12:14:30 发布

第1期 | CST超表面自动化：MATLAB一行代码搞定建模 + 仿真 + S参数导出

⚡ 30秒速览：一套开源MATLAB工具箱，输入一行命令，自动在CST中完成超表面单元建模→仿真→S参数导出，全程不碰CST界面。内置10种经典结构，支持一键参数扫描，还能让AI帮你写新设计。

先看效果

在MATLAB命令行输入一行代码：

run_simulation('design_rect')

工具箱自动完成6个步骤：连接CST → 设置频率边界 → 建地板+基板+贴片 → 保存工程 → 跑仿真 → 导S参数并画图。

跑完之后，CST里自动出现完整的超表面单元模型：

S参数自动提取并绘图：

你没有点过一次CST界面。

实战：复现一篇论文的超表面结构

光看矩形贴片太简单，来个真实的。

Sci.Rep. 2018 上有一篇双频段手性超表面的论文，其中一层金属图案是 4个同心矩形环，基板是 Rogers 5880（0.127 mm），工作在 K/Ka 波段（18–32 GHz）。结构长这样：

我把论文中的结构参数告诉 AI（ChatGPT），让它基于工具箱的模板生成了一个设计文件 design_concentric_rings.m。AI 输出的完整代码：

function cfg = design_concentric_rings(overrides)    cfg.P = 4.0;  cfg.f_min = 16;  cfg.f_max = 34;    cfg.sub_h = 0.127;  cfg.sub_eps = 2.2;  cfg.sub_tan = 0.001;    cfg.sub_name = 'Rogers5880';    cfg.met_t = 0.018;   % 铜层 18 μm    cfg.save_name = 'concentric_rings';    W1 = 3.898;  H1 = 3.726;   % 最外环    W2 = 3.256;  H2 = 2.995;    W3 = 2.463;  H3 = 1.903;    W4 = 1.628;  H4 = 1.191;   % 最内环    rw = 0.2;                    % 统一环宽 0.2mm    % ...（override 处理省略）    cfg.build_pattern = @(mws,z2,z3) build(mws,z2,z3, ...        W1,H1, W2,H2, W3,H3, W4,H4, rw);endfunction build(mws, z2, z3, W1,H1, W2,H2, W3,H3, W4,H4, rw)    rings = {W1,H1,'Ring1'; W2,H2,'Ring2'; W3,H3,'Ring3'; W4,H4,'Ring4'};    for i = 1:size(rings, 1)        W = rings{i,1};  H = rings{i,2};  name = rings{i,3};        cst_brick(mws, [name '_out'], -W/2,W/2, -H/2,H/2, z2,z3);        cst_brick(mws, [name '_cut'], -W/2+rw,W/2-rw, -H/2+rw,H/2-rw, z2,z3);        cst_subtract(mws, [name '_out'], [name '_cut']);        if i > 1, cst_add(mws, 'Ring1_out', [name '_out']); end    endend

保存到 designs/ 目录，运行：

run_simulation('design_concentric_rings')

CST 中自动建好了 4 个同心矩形环的完整模型：

S 参数结果也自动提取并画好了，可以观察到 K/Ka 波段的谐振效应：

全过程没有打开过一次 CST 界面。 从论文参数到仿真出图，就是"告诉 AI → 拿到设计文件 → 一行命令运行"。

当然，这只是复现了原文多层结构中的一层。如果要做完整的多层堆叠，修改设计文件叠加更多层即可——这也是后续会更新的内容。

3步上手

Step 1：下载工具箱

下载 MetasurfaceCST 文件夹，放到你的 MATLAB 工作目录下。文件结构：

MetasurfaceCST/├── main.m                 ← 主入口├── run_simulation.m       ← 单次仿真├── run_sweep.m            ← 参数扫描├── engine/                ← 引擎（不用动）├── helpers/               ← 建模工具（不用动）├── designs/               ← 设计文件（改这里）└── output/                ← 结果输出

你只需要关注 designs/ 文件夹下的设计文件。

Step 2：看一眼设计文件

打开 designs/design_rect.m，这就是一个矩形贴片的完整配置，一共只有15行：

function cfg = design_rect(overrides)    cfg.P = 10;  cfg.f_min = 4;  cfg.f_max = 12;    cfg.sub_h = 1.6;  cfg.sub_eps = 4.3;  cfg.sub_tan = 0.025;    cfg.sub_name = 'FR4';    cfg.save_name = 'rect_patch';    W = 6;  H = 6;    if nargin > 0 && isfield(overrides, 'W'), W = overrides.W; end    if nargin > 0 && isfield(overrides, 'H'), H = overrides.H; end    cfg.build_pattern = @(mws,z2,z3) build(mws,z2,z3, W,H);endfunction build(mws, z2, z3, W, H)    cst_brick(mws, 'Patch', -W/2,W/2, -H/2,H/2, z2,z3);end

上半部分是仿真参数（周期、频率、基板），下半部分的 build 函数定义金属图案——矩形贴片就是一个 cst_brick。

想改参数？直接改数字就行：

参数	含义	默认值
`cfg.P`	单元周期	10 mm
`cfg.f_min / f_max`	频率范围	4–12 GHz
`cfg.sub_h`	基板厚度	1.6 mm
`cfg.sub_eps`	介电常数	4.3 (FR4)
`W / H`	贴片宽度/高度	6 mm

Step 3：运行

cd MetasurfaceCSTrun_simulation('design_rect')

等仿真跑完，S参数自动导出到 output/ 文件夹，同时弹出结果图。

想换结构？改一个单词

工具箱内置了 10种经典超表面结构，换结构只需要改设计名：

run_simulation('design_rect')           % 矩形贴片run_simulation('design_cross')          % 十字形run_simulation('design_srr')            % 开口谐振环run_simulation('design_smith_srr')      % Smith双SRR (PRL 2000经典)run_simulation('design_jerusalem_cross') % 耶路撒冷十字

完整列表：

设计文件	结构
`design_rect`	矩形贴片
`design_cross`	十字形
`design_circle`	圆形贴片
`design_ring`	圆环
`design_srr`	开口谐振环 (SRR)
`design_bowtie`	领结形
`design_h_shape`	H形
`design_jerusalem_cross`	耶路撒冷十字
`design_smith_srr`	Smith双SRR (PRL 2000)
`design_concentric_rings`	同心矩形环 (Sci.Rep. 2018)

自己的结构怎么加？

两种方式：

方式一：手写

复制 design_rect.m，改参数和 build 函数即可。

比如十字形的 build 函数只有3行——两个矩形臂 + 布尔合并：

function build(mws, z2, z3, aL, aW)    cst_brick(mws, 'ArmH', -aL/2,aL/2, -aW/2,aW/2, z2,z3);    cst_brick(mws, 'ArmV', -aW/2,aW/2, -aL/2,aL/2, z2,z3);    cst_add(mws, 'ArmH', 'ArmV');end

可用的建模工具：

函数	功能
`cst_brick`	矩形
`cst_cylinder`	圆柱/圆环
`cst_polygon`	任意多边形
`cst_add`	布尔合并
`cst_subtract`	布尔减
`cst_rotate`	旋转

方式二：让AI写

把 AI_PROMPT.md（工具箱自带）和任意一个设计文件一起粘贴给 ChatGPT 或 Claude，然后描述你想要的结构，AI直接输出一个新的设计文件。保存到 designs/ 目录，运行即可。

引擎做了什么？为什么不自己拼VBA？

你可能会想：既然CST本身就支持VBA/MATLAB脚本，为什么不直接让AI生成一整套完整脚本？

试过就知道——CST的MATLAB COM接口，网上几乎找不到系统的参考文档。 官方帮助文档以VBA宏为主，MATLAB调用方式散落在零星的论坛帖子里，而且很多是过时的。你让AI从零写一个CST自动化脚本，它大概率会给你一段两三百行的VBA字符串拼接：

sCmd = [10 'With Brick' 10 '.Reset' 10 '.Name "patch"' ...    10 '.Component "unit_cell"' 10 '.Material "Copper (annealed)"' ...    10 '.Xrange "-3.5", "3.5"' 10 ... ];  % 还有几十行...invoke(prj, 'AddToHistory', 'define brick: patch', sCmd);

看着就头疼。更要命的是：换个结构？重写。加个端口？再拼几十行。改个边界条件？又是一坨字符串。某个引号漏了？CST不报错，默默给你建了个错误的模型。

本工具箱的引擎做的事情，就是把这些脆弱的底层操作封装成经过验证的模块：

run_simulation('design_xxx')    │    ├── engine_connect    连接CST（自动检测已打开的实例，避免COM冲突卡死）    ├── engine_setup      设单位/频率/边界/Floquet端口/自定义材料（一步到位）    ├── engine_build      建地板+基板+调用你的build函数画金属图案    ├── engine_solve      配置并运行求解器（频域/时域自动切换）    └── engine_extract    提取S参数、切换视图、导出数据、画图

每个模块都是踩过真实的坑之后写出来的。这些细节，AI不知道，文档里也没写，只有实际调试过才能踩到。

所以这个工具箱的价值不在于代码量，而在于它是一套经过验证的、可靠运行的底层引擎。 有了它，无论是你自己写设计文件，还是让AI帮你写，都只需要关注十几行结构描述，底下的几百行脏活引擎替你处理好了。