【HFSS】2.入门实例：T型波导的场内分析和优化设计

1.概述

image

Part1：波导内场分析

  1. 新建HFSS工程设计
  2. 创建T型波导模型
    • 包括创建几何模型、分配边界条件和激励
  3. 定义和添加变量
  4. 求解设置和扫频
    • 求解频率：10GHz（一般设置为工作频率的最高频率）
    • 扫频设置：8~10GHz，插值扫频
  5. 查看分析结果
    • S参数扫频结果
    • 电场动态分析
    • 动态演示电场分布
      image
      端口输入输出的关系在微波中可以用S参数表示。port1输入，port2，port3输出端口

1-1新建HFSS工程设计

新建工程文件project和设计文件HFSSDesignl，并重新命名。修改工程文件名称：File > Save As > 文件名 保存修改设计文件名称：右键HFSSDesignl > Rename

1-2创建T型波导模型

1、创建模型

    1. 进行初始设置
      • HFSS > Solution Type > Modal(模式驱动)
      • 求解类型包括:模式驱动求解(Driven Modal)、终端驱动求解(Driven Terminal)、瞬态求解类型、本征模求解(Eigen mode)；
    1. 设置建模相关信息：
      • 设置建模单位：Modeler > Units > in(英寸单位)
      • 设置(每次新建模型之后就会弹出该模型的属性对话框)：Tools > Options > General Options > 3D modeler > Drawing > 勾选Edit properties of new primitives
      • 设置(复制模型时，同时也会复制该模型上的端口、边界设置)：Tools > Options > General Options > HFSS > Boundary Assignment > 勾选Duplicate boundaries/mesh operations with geometry

    模式驱动求解(Driven Modal)
    使用这种求解类型是以模式为基础计算S参数，根据导波内各模式场的入射功率和反 射功率来计算S参数矩阵的解，仿真典型高频结构如微带线、波导和传输线时使用。

    终端驱动求解类型(Driven Terminal)
    使用这种求解类型是以终端为基础计算多导体传输线端口的S参数；此时，根据传输线终端的电压和电流来计算S参数矩阵的解，多用在电路和高速互连设计中，典型应用如差分线。

    瞬态求解类型(Transient)
    使用时域求解器，计算时域中的问题，典型的应用如开关脉冲、雷击、静电问题等时域问题。

    本征模求解类型(Eigen mode)
    本征模求解器主要用于谐振问题的设计分析，可以用于计算谐振结构的谐振频率和谐振频率处对应的场，也可以用于计算谐振腔体的无载Q值。

2、进行建模操作

    1. 创建长方体模型：点击长方体模型图标 > 右下角的X=0 、Y=-0.45、 Z=0(创建长方体模型的顶点坐标 )点回车确认 > 右下角dX=2、dY=0.9、dZ=0.4(创建长方体的长宽高)点回车确认 > 弹出长方体的属性对话框 Attribute > Name :Tee(长方体的名称) 、Transparent :0.4(0模型不透明、1模型全透明)
    1. 给长方体模型添加端口激励：(这里T型波导的三个端口采用的都是波端口激励)
      • 进入物体端口表面的位置：屏幕右键 > Selection Mode > Face > 点击要选中的端口表面 为波端口
      • 打开波端口激励设置的对话框：屏幕右键 > Assign Excitation > Wave port >设置波端口的积分线:Name：P1（波端口的名称）> Number of Modes：1（波导类所要分析的模式数(这里只分析主模 选1)）> Integration Line ：New Line(设置波端口的基分线)；回到assign模型窗口：移动选中表面的下边缘中点位置 鼠标变为▲ 左键确定 > 向上移动鼠标 变为▲ 左键确定；下一步 > 完成（已将该端口设置成波端口激励）（可打开工程树 TeeModel > Excitation > P1 找到P1）
        image
    1. 复制操作，生成T型波导的2、3臂：
      • 右键 > Selection Model >Objects > 选中物体（选中要复制的物体）
      • Edit菜单 > Duplicate > Around Axis 弹出物体复制的对话框Axis：Z 表示沿z轴旋转90°Angle：90 表示顺时针旋转90°Total number：2 表示复制和被复制共2个点击OK
        image
      • 弹出复制物体的属性窗口 点击确定 复制完成第二个臂Tee_1
      • 重复Edit菜单 > Duplicate > Around Axis 弹出物体复制的对话框 Angle ：-90，点击OK 点击确定 复制完成第三个臂Tee_2
    1. 合并三个长方体：按住Ctrl+点击3个物体（同时选中3个物体）> moderler菜单 > Boolean > Unite（合并操作）
    1. 创建被挖去的长方体：
      • 点击长方体快捷键随意拉出一个长方体 > 弹出属性Attribute对话框 Name：Spetum > 确定
      • 查看操作历史树 点击Spetum > CreateBox(双击) 弹出Command对话框Position：-0.45in、Offset-0.05in、0in > 确定 > 弹出Add Variable UnitType：（添加变量）Length、Unit：in、Value：0in >确定XSize: 0.45 in 、YSixe：0.1in、ZSize：0.4in >确定
    1. 大T型波导减去小T型波导Ctrl+历史树上Tee、Spetum(选中这两个问题) > modeler > Boolean >Substract 弹出Substract Blank Parts：Tee Tool Parts：Spetum (Tee减去Spetum) >OK
    1. 完成建模

3、分配边界条件和激励

此时边界条件采用HFSS默认的边界条件，创建1臂时完成了激励设置，复制完成2、3臂激励也完成设置

1-3定义和添加变量

第二部分优化设计要查看T型波导隔片的位置对T型波导性能的影响，为了方便移动隔片的位置，定义一个变量来表示隔片的位置

  • 在建模过程中定义和添加变量

    建模操作5：创建被挖去的长方体：
    点击长方体快捷键随意拉出一个长方体 > 弹出属性Attribute对话框 Name：Spetum > 确定查看操作历史树 点击Spetum > CreateBox(双击) 弹出Command对话框Position：-0.45in、Offset-0.05in、0in > 确定 > 弹出Add Variable UnitType：Length、Unit：in、Value：0in >确定XSize: 0.45 in 、YSixe：0.1in、ZSize：0.4in >确定（添加Offset变量以表示隔片的位置）

1-4 求解设置和扫频设置

  • 添加求解频率：10GHZ;（一般设置为工作频率的最高频段）
    • 左侧设计树中Analysis > Add solution Setup 打开Solution Setup对话框Setup Name :Setup1、Solution Frequency：10 GHz 其余默认设置 > 确定（添加设置项会出现在Analysis树下，出现Setup1项）
  • 添加扫频设置：8-10GHZ，插值扫频（添加扫频项：查看波端口参数S随着频率的变化关系）
    • 右键Setup1 > Add Frequency Sweep 打开Edit Sweep扫频设置对话框Sweep Name：Sweep1、Sweep Type：Interpolating、start：8GHZ、end：10GHZ、点击Time Domain Calculation选择Frequency Step Size：0.001GHZ 扫频设置完成
      完成后扫频设置会添加到工程树Setup1下Sweep1
      image
      image

扫频设置
Fast（快速扫频）：
快速扫频在1994年引入HFSS中，最初是基于AWE（Asymptotic Waveform Evaluation）算法用于搜寻传输函数的主零、极点，适合于窄带问题的求解；后来采用ALPS（Adaptive Lanczos-Pade Sweep）算法，Lanczos法是有效求解稀疏矩阵本征值问题的方法，采用ALPS算法可以在很宽的频带范围内搜寻出传输函数的全部零、极点。因此，快速扫频适用于谐振问题和高Q值问题的分析，可以得到场在谐振点附近行为的精确描述。使用快速扫频，一般选择频带中心频率作为自适应网格剖分频率，进行网格剖分，计算出该频点的S参数和场分布，然后使用基于ALPS算法的求解器从中心频率处的S参数解和场解来外推整个频带范围的S参数解和场解。使用快速扫频，计算时只会求解中心频点处的场解，但在数据后处理时整个扫频范围内的任意频点的场都可以显示。
Discrete（离散扫频）：
离散扫频是在频带内的指定频点处计算S参数和场解。例如，指定频带范围为1～2GHz、步长为0.25GHz，则会计算在1GHz、1.25GHz、1.5GHz、1.75GHz、2GHz频点处的S参数和场解。默认情况下，使用离散扫频只保存最后计算的频率点的场解，用户如果希望保存指定的所有频率点的场解，需要选中设置对话框中的Save Fields复选框。对于离散扫频，需要求解的频率点越多，完成频率扫描所需的时间越长。如果频带范围的解只需要有限几个频率点就能精确表示，可以选择离散扫频。
Interpolating（插值扫频）：
插值扫频使用二分法来计算整个频段内的S参数和场解。使用插值扫频，HFSS自适应选择计算场解的频率点，并计算相邻两个频点之间的解的误差，当解达到指定的误差收敛标准或者达到了设定的最大频点数目后，扫描完成；其他频率点上的S参数和场解由内插给出。

1-5 查看分析结果

  • 分析前需要检查设计是否存在错误
    • 点击菜单HFSS中Validation Check，当弹出窗口全为勾号，则为正确的
  • 分析结果
    • 点击菜单HFSS中Analysis All
      image
  • 查看分析结果
    • S参数扫频结果查看\(S_{21}、S_{31}、S_{11}\)随频率变化的关系图
      • 右键点击工程树中的Result节点 > Creat Modal Solution Date Report > Rectangular Plot
      • 按Ctrl 同时点击S(1,1)、S(2,1)、S(3,1)。Function选择dB
        image
        image
        得到结果：（得到的结果会自动添加到扫频结果Result工程节点下）
        image
    • 电场分布图
      • 点击TeeModal回到工程图表面 > 右键 Selection Modals > Faces 选择上表面
      • 工程树下右键Field Overlays > Plot Field > E > Mag_E 默认设置 Done
        image
        image
    • 电场动态演示分布图
      • 工程树 Field Overlays > E Field > 右键Mag_E1 > Animate
      • Swept Available ：phase (相位)
        image

Part2:T型波导优化设计

使用HFSS的优化设计功能寻找隔片位置，使在10GHz处Port3的输出功率时Port2输出功率的两倍优化设计目标：
\(Power_{31}=2*Power{21}\)
优化设计是基于10GHZ频点上，删除扫频设置项Sweep1(工程树Analysis中)内场分析是要分析8-10GHZ上的频段特性，添加扫频设置项

2-1 定义输出变量\(Power_{11}、Power_{21}、Power_{31}\)表示端口1、2、3的输出功率

  • 删除扫频设置项
    image
  • 添加扫描设置项
    • 工程树下Optimestics > Add > Parametric 打开Setup Sweep Analysis对话框(添加扫描变量和输出变量)
    • Setup Sweep Analysis对话框
      • 点击右侧Add > 打开Add/Edit Sweep对话框Variable：Offset；（只有一个变量Offset，默认为它）Start：0in；Stop：1in；Step：0.1in；（查看Offset这个变量在0in-1in变化的时候，输出功率的变化）点击中间Add 下方OK 添加扫描变量成功
        image
      • 点击菜单栏Options：勾选Save Field And Mes（表示在进行扫描分析的时候，每计算一次电场分布都会被保持，不选中只会保存最后一次的场分布图）
        image
      • 点击菜单栏Calculation：(定义输出变量)点击Setup Calculations > Output Variables 打开Output Variable输出变量定义对话框Name：Power11、Power21、Power31（依次输出变量的名称）Expression：mag(S(P1,P1))*mag(S(P1,P1))、mag(S(P2,P1))mag(S(P2,P1))、mag(S(P3,P1))mag(S(P3,P1))（依次输出变量的表达式，可以借助Quantities输入后Add、三个输入后点击Done完成）返回Add/Edit Calculation界面后出现添加的Power11、Power11、Power21、Power31，点击Done。
      • 返回Setup Sweep Analysis页面，点击确定*（完成添加扫描设置项）
        image
        image
    • 工程树下Optimetrics > ParametricSetup1*(上述添加的扫描设置项)
      image

2-2 参数扫描分析

分析端口的输出功率随着隔片位置的变化而变化的关系

  • 运行扫描分析
    • 右键选中添加的扫描设置项 ParametricSetup1 > Analyze 直至显示下图扫描完成即可
      image
  • 查看\(Power_{11}、Power_{21}、Power_{31}\)随着变量Offset的变化曲线
    • 工程树下右键Results > Creat Modal Solution Date Report > Rectangular Plot 打开报告设置对话框 ;如下图选择设置后 点击NewReport -> Close
      image
    • 生成\(Power_{11}、Power_{21}、Power_{31}\)随着变量Offset的变化曲线
      image
      由图可知Offset=0.1in左右时\(Power_{31}=2Power_{21}\)，在进行优化设计时可以设置变量Offset的变化范围在0.1in附近，可以设置为0in-0.2in
  • 查看表面电场随着Offset的变化曲线
    • 展开工程树下的Field Overlays > E Field > Mag_E1双击打开表面电场的分布图、右键Mag_E1 > Animate> New > Swept Variable：Offset > OK 即可查看动态变化
      image

2-3 优化设计，找出隔片位置满足优化条件

由参数扫描可知Offset=0.1in左右时\(Power_{31}=2Power_{21}\)，在进行优化设计时可以设置变量Offset的变化范围在0.1in附近，可以设置为0in-0.2in

  • 添加优化变量
    • 菜单栏HFSS > Design Properties 打开优化设计对话框 选择OPtimization*(优化)
    • 选中Include*（表明变量可以用于优化设计分析）
    • Min Max范围设计为0in-0.2in
      image
  • 添加优化设置项
    • 右键工程树下面的Optimetrics > Add > Optimization 打开优化设置对话框
      image
      Optimizer：Quasi Newton（优化算法，默认选择牛顿算法）
      Max.No.of Iteration：1000（最大的优化迭代次数，默认1000）
      点击Setup Calculations添加目标函数 > Add Calculation >Done 在Cost Function栏添加目标函数Calculation：Power31-2Power21（目标函数）
      Weight：1（加权值设为1）
      Acceptable：0.0005（可接受的误差范围）
      Noise：0.00001
      image
      Start Value：0.1      （在0.1in时Power31大约=2Power21，优化起始点设置在0.1in）
      Min：0 Max：0.2（优化范围0-0.2in）确定*
      image
  • 进行优化分析
    • 工程树 Optimetrics > 右键OptimizationSetup1 > Analyze 进行优化分析
      image
    • 工程树 Optimetrics > 右键OptimizationSetup1 > View Analysis Result查看分析过程
      • 完成误差要求停止,误差设置为0.0005,结果小于0.0005即可
        image
        -选择最后的优化结果，点击Apply （用最后的优化设计结果代替最初的Offset值）
        image
  • 优化完成
    image

    • HFSS菜单栏 > Design Properties 弹出Properties菜单栏，保留Value的小数点后2-3位 ，点击确定（设置Offset为优化结果）

    • 用优化结果分析设计不能点击Analysis All按钮：表示当前工程设置下的所有求解分析项、扫频设置项、参数扫描设置项ParametricSetup1、优化设置项OptimizationSetup1都会进行分析只需Offset=0.09时的器件的性能 只需Analysis > 右键Setup1项 > Analyze

    • 查看用Offset=0.09时的器件的性能 证明满足优化公式
      image

    • 点击Field Overlays > Mag_E1查看Offset=0.09时的电场分布图
      image

posted @ 2023-10-22 15:59  寥若辰星  阅读(547)  评论(0)  编辑  收藏  举报