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AnsoftCETC9培训资料2009-7-15Ansoft协同设计方法－复杂波导系统与滤波器设计ANSOFTCORPORATIONAnsoftCETC9培训资料2009-6-30ANSOFTCORPORATION1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...................................................................................................41)在HFSS中进行的基本单元建模和仿真...............................................................42)建立HFSS与AnsoftDesigner间的动态链接.....................................................103)在AnsoftDesigner中求解....................................................................................144)在AnsoftDesigner中完成滤波器的优化设计.....................................................155)将AnsoftDesigner中优化后的IRIS滤波器export到HFSS进行验证............17(二)Combline滤波器设计................................................................................................191)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................................................................................................................................................342)在HFSS中进行基本单元的参数化扫描.............................................................413)建立HFSS与AnsoftDesigner间的动态链接.....................................................424)在AnsoftDesigner中完成滤波器的优化设计.....................................................465)AnsoftDesigner与HFSS的仿真结果对比与讨论............................................48AnsoftCETC9培训资料2009-6-30ANSOFTCORPORATION2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：AnsoftCETC9培训资料2009-6-30ANSOFTCORPORATION3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AnsoftDesigner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“协同仿真”仅仅停留在这个层面上，无异于在电路仿真中拟合若干S参数文件进行电路仿真，这种仿真只能用于验证结果，当仿真结果达不到设计指标时，我们想对模型做优化却无从依据。如果应用不同厂家的电磁场仿真器和电路仿真器就无可避免的面临这种情况——很显然在电路仿真层面上，模型的所有三维结构信息全部都丢失了，只剩下基本元件的S参数，因此想要对整个结构进行电路级的优化就不可能实现了。Ansoft在“协同仿真”方面的最大优势在于它同时拥有强大的三维电磁场仿真工具HFSS和电路仿真工具AnsoftDesigner，当HFSS中的基本单元以元件的形式插入AnsoftDesigner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AnsoftDesigner复杂波导器件基于三维电磁场仿真的验证在AnsoftDesigner的元件库中建立HFSS模型库从AnsoftDesigner中的原理图直接生成HFSS三维模型由AnsoftDesigner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AnsoftCETC9培训资料2009-6-30ANSOFTCORPORATION4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AnsoftDesigner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(AnsoftCETC9培训资料2009-6-30ANSOFTCORPORATION5波导采用WR-90标准波导，波导截面的长和宽分别为a和b，侧边的倒角采用HFSS中的Fillet功能：选中需要倒角的边（一次可同时选中多条边），3DModeler-Fillet。IRIS具体尺寸如下：AnsoftCETC9培训资料2009-6-30ANSOFTCORPORATION6接下来，我们将对这两种基本单元建模并求解。首先，波导结构的求解可使用“DrivenModel”求解类型；如图2（b）所示，波导插入膜片处采用的倒园角的工艺。在这些倒角处可配合相应的手动网格剖分。选定波导结构，右键选择“AssignMeshOperation”中的“SurfaceApproximation”，指定“Normaldeviation”为5度（90度的角共切18个面）。波导器件的求解设置可参照以下步骤：i.插入一个新的求解设置，以这个波导滤波器为例，如果需扫频频带为8～12GHz的话，选择12GHz为求解频率；ii.为了避免与后面在AnsoftDesigner中的仿真产生累积误差，在HFSS中需设置较高的求解精度：i.MaximumNumberOfPasses（最大迭代次数）=20AnsoftCETC9培训资料2009-6-30ANSOFTCORPORATION7ii.MaximumDeltaS（S参数矢量差的最坏值）=0.01iii.MaximumRefinementPerPass（每次迭代最多增加的网格量占上一次网格量的百分数）=30iv.MinimumNumberOfPasses（最小迭代次数）=3AnsoftCETC9培训资料2009-6-30ANSOFTCORPORATION8v.PortFieldAccuracy（端口求解精度）=0.1%扫频设置：i.考虑到后面要使用与AnsoftDesigner的协同仿真，每个求解设置下必须只包含一个扫频设置（在HFSS单独使用时，扫频设置的数目不受限制），并且扫频设置使用默认名称“Sweep1”ii.对于波导结构来说推