介质波导滤波器的优化计算

植物大战奥特曼

HFSS精确可靠的三维电磁场仿真彻底改变了传统设计流程， 调试硬件原型的传统设计手段被对三维电磁场仿真模型的设计和优化所取代，大大地缩短了设计周期。尽管如此，Ansoft仍不懈地致力于优化使用者的仿真设计流程，提高优化效率，从而进一步缩短设计周期。   现今对于滤波器或其他复杂波导器件的理论研究和设计技术已经非常成熟，但设计工作依旧面临很多问题。电路仿真具有很高的速度，可快速的仿真出滤波器各个部件的集总电参数，但是在电磁场求解工具中设计真实的3D微波元件却需要花费数周的时间。本文主要阐述了电路仿真器如何与3D场仿真器协同完成设计工作，从而使设计周期从原先的数周缩短为数日。这种解决方案的核心是“场路结合、协同仿真”，优点是有效的结合了三维电磁场仿真的精度和电路仿真的速度，使微波无源器件的设计流程进入了新的时代。   下面我们将以具体的例子来说明这套通过“场路结合、协同仿真”来设计复杂无源器件的解决方案。

Ansoft复杂无源器件仿真解决方案   当电磁场仿真被设计者广泛接受后，我们进一步需要把这种技术应用到各种需要精确仿真求解的更大规模的设计问题中。这里就产生了一对速度与精度之间的矛盾，因为我们知道电路仿真速度是很快的，传统的仿真方法一般都是基于等效电路的。我们希望有一种切实可行的解决方案：能提供快速、具有电磁精度、且求解问题的规模不受限制。 因为作为工程设计软件，仅仅解决求解精度问题是不够的，更重要的是能够提供一种高效率的、可操作性强的设计流程。“场路结合、协同仿真”的思路就是基于这种实际工程中的需求而产生的。  Ansoft提供的这套复杂无源器件仿真的解决方案如下图所示：

首先，一个复杂的无源器件被拆分成若干基本单元，对于每个基本单元在HFSS中建立三维模型进行电磁场仿真和参数化扫描。参数化扫描的目的是为了后面将要进行的自动优化设计提供基本数据。在经过合理的划分基本单元之后，每个单元通常都是结构简单且电尺寸小。对于这样的结构，在HFSS中很容易就能得到收敛的仿真结果。在这一步，我们充分利用了场仿真的精度为后面提供了精确的基础数据源。
接着，HFSS中的基本单元通过场到路的“协同仿真”链接到Ansoft Designer的电路设计原理图中。这样以来，整个复杂器件的导波特性由电路仿真完成，电路原理图中的元件即为HFSS中的基本单元。
然而，如果“协同设计”仅仅停留在拟合S参数文件进行电路仿真的层面上，就只能用于设计验证，而不能用作设计。因为当仿真结果达不到设计指标时，我们无法对模型进行优化—显然在电路仿真层面上，只剩下基本元件的S参数，所有三维结构信息全部都丢失了，因而想要无法实现了对整个结构进行电路级的优化――如果应用不同厂家的电磁场仿真器和电路仿真器就必然面临这种情况。
Ansoft“协同设计软件包“的最大优势在于它同时包含强大的三维电磁场仿真工具HFSS和电路仿真工具Ansoft Designer，当HFSS中的基本单元以元件的形式插入Ansoft Designer的电路设计原理图时，除了S参数之外，所有的变量（如尺寸、材料特性）和参数化扫描结果都可被动态链接进来，从而为基于电路仿真的优化设计提供基础数据。在Ansoft Designer中进行优化时，即使是HFSS中参数化扫描没有的点，也可以由插值算法得到，整个器件的优化过程可以直接在电路级进行。   
在电路级完成整个器件的优化后，原理图还可以通过脚本直接输出到HFSS进行验证，从HFSS中输出三维模型到机械CAD软件。   
并且，针对几种波导器件类型，如Iris波导滤波器、腔体滤波器和分支线耦合器，Anosft还可提供给Ansoft Designer用户波导器件库。器件库不仅包含所有元件的HFSS模型，还有帮助实现设计自动化的脚本文件，并且支持DOE的设计方法。   
其中主要是S参数的级联。

一：直通型介质波导滤波器  HFSS Designer Co-simulation
这里涉及到的内容请参考连接【https://wenku.baidu.com/view/caed884ce45c3b3567ec8b8d.html】
以下图中为HFSS中分立模型的建立图

此图中利用波导端口特性阻抗的特点，对窗口宽度参扫，利用端口推进功能，只计算耦合窗口处两个端口的散射参数特性

此模型利用HFSS做一段波导管传输线，用以电路级联时谐振腔长度的调用



此图是电路模型中的链接，在这里需要注意电路模型中端口需要设置成波端口，而且要与DOE方式链接引入的传输线端口特性阻抗一致。如果设置成电路模型的50欧姆阻抗，计算结果发生错误。窗口模型链接引入后，需要设置成插值运算。

通过以上设置，添加变量，设置优化条件，优化完成后电路模型计算结果如下图




最终完成后，模型数据导入到HFSS验证，HFSS的结果如下图：

通过对比发现，在低频段，基本电路模型优化完的数据导入HFSS后验证，基本无太大变化。

本模型利用介电常数为20的介质来做运算，结果对比吻合度良好。适合于多路滤波器利用波导管进行合路时天线口处理。利用公共腔的方式在多通道合成时会牵扯到结构排列以及公共腔引入过多，造成仿真难度大，指标变化大等问题。输出口可以用波导-微带结构或者波导-同轴结构。根据需要合理选择。

二：广义切比雪夫传输函数类介质波导滤波器 S参数 Space mapping
这里提及的Space mapping，只是提及的一种空间映射原理，具体设计到的是利用HFSS精确计算的结果，导出后利用两端口提取S参数对应的耦合矩阵，将实际的耦合矩阵与理论的耦合矩阵对比，通过误差分析，来修正实际的物理尺寸，达到S参数满足需要的过程。
同样对一个8腔介质波导滤波器，4个传输零点，通过这个原理提取耦合矩阵，具体的仿真过程如下：
第一次计算结果：

通过单纯提取谐振频率，修正谐振器频率响应，将谐振器谐振频率基本拉到通带内。经过两轮操作，仿真结果如下：


此时观察结果，通带内回波反射以及带外传输零点基本出现，通带也有了一个大致的形状。此时需要对频率，耦合进行修正。在计算的过程中，通常会将谐振器谐振频率以及耦合同时进行修正。但建议初学者在做此类计算过程中，先按照频率修正一轮，耦合修正一轮进行。通常这样操作会降低计算与判断的难度。
另外一点建议是在计算初始阶段，网格数量达到10万，计算时间基本在5-7分钟左右，此时的计算结果精度与时间都是一个合适选择。继续调节，对带外传输零点进行修正等，经过几轮操作，仿真结果如下：



当通带回波损耗与带外传输零点基本接近设计需要时，此时需要细致的调节模型参量，同时需要将HFSS计算网格手动设置，达到20万左右。因为此时计算网格如果达不到要求，计算的结果一般为通带距离真实值偏高，耦合偏弱，这样造成的结果是实际物理尺寸的偏大。当网格加密后，计算时间通常拉长为12-16分钟左右。此时计算一次基本需要通过15次迭代，网格数量在22-24万左右。
再次通过几轮调节，仿真结果如下：


此图中带点的曲线为模型计算的结果，背景浅青色为理想的传输曲线，两者对比发现，低端带内回波损耗有一个点满足不了要求。与理想的误差较大。本人通过几次的提取发现，网格数量还是不够。同样的模型，某一参数微弱改变，前后两次提取的结果不同。谐振频率误差较大。通常谐振频率误差存在的时候，会影响频率修正量，同时也会影响耦合。后面会继续针对网格计算精度进行新一轮提取，找出计算结果的问题。

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