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Ansoft 协同设计方法
-复杂波导系统设计
2008-06-12
ANSOFT CORPORATION
ANSOFT CORPORATION
1
目录
前言 .................................................................................................................................................. 2
一、 Ansoft 复杂无源器件仿真解决方案 ............................................................................... 2
二、 波导滤波器的设计 ........................................................................................................... 4
(一) Iris 波导滤波器设计 ................................................................................................... 4
1) 在 HFSS 中进行的基本单元建模和仿真 ............................................................... 4
2) 建立 HFSS 与 Ansoft Designer 间的动态链接 ..................................................... 10
3) 在 Ansoft Designer 中求解 .................................................................................... 14
4) 在 Ansoft Designer 中完成滤波器的优化设计 ..................................................... 15
5) 将 Ansoft Designer 中优化后的 IRIS 滤波器 export 到 HFSS 进行验证 ............ 17
(二) Combline 滤波器设计 ................................................................................................ 19
1) 在 HFSS 中进行基本单元的建模仿真 ................................................................. 19
在求解设置部分可参考前述 IRIS 波导滤波器的设置,所不同的是求解频率为 0.4GHz
................................................................................................................................................ 34
2) 在 HFSS 中进行基本单元的参数化扫描 ............................................................. 41
3) 建立 HFSS 与 Ansoft Designer 间的动态链接 ..................................................... 42
4) 在 Ansoft Designer 中完成滤波器的优化设计 ..................................................... 46
5) Ansoft Designer 与 HFSS 的仿真结果对比与讨论 ............................................ 48
ANSOFT CORPORATION
2
前言
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。
下面我们将以几个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。
一、 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:
ANSOFT CORPORATION
3
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
复杂波导器件
基于三维电磁场仿真
的验证
在Ansoft Designer的元件库
中建立 HFSS模型库
从Ansoft Designer中的原理图
直接生成HFSS 三维模型
由Ansoft Designer的DOE自动生成
HFSS中的参数化扫描设置
若干基本单元
在HFSS中对基本单元
参数化扫描
基于电路仿真的
原理图级仿真和优化
一
一
次
次
加
加
工
工
成
成
功
功
在HFSS中对整个波导
器件进行仿真验证
ExportToHFSS.vbs
场
场
路
路
场
场
ANSOFT CORPORATION
4
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【1】的设计方法。
接下来我们看几个应用这种解决方案设计复杂无源器件的实例。
二、 波导滤波器的设计
(一) Iris 波导滤波器设计
Iris 滤波器经常被用作窄带滤波器的设计。一个带宽很窄的滤波器要求的求解精度是很
高的,因为每次自适应求解后滤波器的工作频带都会微微地向高频处漂移,加之 S12 曲线
的斜率十分陡峭,因此通常需要较多的求解次数才能收敛。然而,当将 Iris 波导滤波器拆分
成单元后,每个单元的频响都不会呈现出带通的特性,就不存在收敛难的问题了。在这种设
计上应用场路结合的解决方案十分划算。详细的设计步骤可总结如下:
1) 在 HFSS 中进行的基本单元建模和仿真
如下图 2 (a)所示为一个典型的 Iris 波导滤波器。根据这样的外形,我们可以轻易地
将它分解为图 2 (b) 和 (c) 两种基本单元。基本单元(b)表示的是滤波器的 IRIS 部件;
对于电特性来说,(b) 应该只包含 IRIS 隔膜部分,但是由于高次模的问题在建模的时
候不能这样处理,我们必须包含两段连续的波导。通过 HFSS 中 waveport 的 deembed
功能可将 S 参数的参考平面推到 IRIS 隔膜的根部。
(a)
(b) (c)
图 2
(De-embed)
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