CN101976294A - 基于空间映射算法的微波器件计算机自动辅助调谐的设计方法 - Google Patents

基于空间映射算法的微波器件计算机自动辅助调谐的设计方法 Download PDF

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CN101976294A CN 201010548533 CN201010548533A CN101976294A CN 101976294 A CN101976294 A CN 101976294A CN 201010548533 CN201010548533 CN 201010548533 CN 201010548533 A CN201010548533 A CN 201010548533A CN 101976294 A CN101976294 A CN 101976294A
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闭万毅
龚盈颖
刘晓城
白洁
李扬
左旭
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Abstract

基于空间映射算法的微波器件计算机自动辅助调谐的设计方法，可以准确高效的自动调谐微波器件。该方法调用电磁仿真程序建立微波器件的电磁模型，调用电路仿真程序建立微波器件的电路模型，将电磁模型参数集视为精确空间，将电路模型参数集视为粗糙空间，通过空间映射算法分析两个空间的映射关系，将已知的粗糙空间最优参数集映射为精确空间参数集，通过验证精确空间参数集的准确程度，对空间映射关系进行调整，经多次调整最终获得精确空间最优参数集。在实现核心算法的基础上，进行人机功能扩展，实现模型更新、数据更新、操作日志等一系列自动化行为。本发明能够使费时费力的微波器件调谐得到很好的改进，可用于无人值守的辅助自动调谐微波器件。

Description

基于空间映射算法的微波器件计算机自动辅助调谐的设计方法
技术领域
本发明属于微波器件设计技术领域，具体涉及一种微波器件的计算机自动化辅助调谐的设计方法。
背景技术
电磁仿真是一个费时费力的过程，要想推动微波技术的发展，提高仿真效率是关键。
微波器件的电磁特性规律非常复杂，因此在设计过程中需要耗费大量的时间和精力进行调谐，该过程目前主要依靠人工经验来进行，对于结构较复杂微波器件的调谐不具有确定性和稳定性。因此，为了降低微波器件调谐的难度，尽可能的减少人为因素对调谐效率的影响，有必要研究微波器件的自动化调谐方法。
电磁仿真虽然较精准但耗时长，很难迅速得到理想结果；电路仿真工具精度不高但速度较快。如果能够通过优化电路模型而迅速准确的得到电磁模型的设计，那么将会大大的节省设计人员的时间。
目前有一些常用的电路/电磁仿真程序提供了协同仿真接口，例如Ansoft公司的仿真产品HFSS和Designer可以通过类VB的脚本语言实现相互通信，Agilent公司的系列产品之间也可以通过AEL语言接口实现互通。但是如果想使用不同公司的仿真程序进行协同仿真，仍然会遇到接口不统一的问题，某些性能优越的仿真产品甚至没有对外提供接口，只能完全靠手动操作进行仿真。在优化过程中很多时候都是重复性的操作，如果每次都靠手动操作程序，就不能完全发挥计算机仿真的效率。
因此，需要一种新的微波器件辅助自动调谐的设计方法，来解决以上问题。
发明内容
本发明目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于空间映射算法的微波器件的计算机辅助自动调谐的设计方法，该方法以空间映射算法为核心，可以在无人值守的情况下完成微波器件设计后期的调谐。
本发明提供的基于空间映射算法的微波器件的计算机自动辅助调谐的设计方法包括如下步骤：
1） 调用电路仿真程序，根据理论设计参数，建立微波器件电路模型，即粗糙空间，该理论设计参数构成粗糙空间最优参数集                                                
Figure 214815DEST_PATH_IMAGE001
；
2） 调用电磁仿真程序，根据实际设计参数，建立微波器件电磁模型，即精确空间，该实际设计参数构成精确空间初始参数集
Figure 3911DEST_PATH_IMAGE002
；
3） 根据空间映射算法建立粗糙空间参数集与精确空间参数集的映射关系，并进行优化，直至参数误差小于等于0.001时获得精确空间参数集，从而得到决定微波器件性能的理想的设计参数。
以上设计中步骤3）所述的“空间映射算法”，其定义如下：
2a) 一个设计可以用一个粗糙模型和一个精确模型来表示，它们的模型设计参量分别称作粗糙空间和精确空间，粗糙模型用基于电路CAD工具建立，其特点是运算速度快，用解析法进行优化容易收敛，但准确性有待验证；精确模型用EM仿真工具建立，耗费时间较长，目的是验证粗糙模型的准确性，将结果反馈以改进粗糙模型。两个模型相结合，比只运用EM工具进行设计节省了大量时间。
以上步骤3）所述的“根据空间映射算法建立粗糙空间参数集与精确空间参数集的映射关系”，按如下过程进行：
3a）将步骤2）根据实际设计参数构成的精确空间初始参数集
Figure 606931DEST_PATH_IMAGE002
，进行第1次电磁全波仿真，得到传输函数
Figure 63451DEST_PATH_IMAGE003
和反射参数
Figure 460934DEST_PATH_IMAGE004
；
3b）将步骤2a）得到的
Figure 189856DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 81720DEST_PATH_IMAGE004
作为电路模型优化目标函数，运用随机法和梯度法进行优化，得到精确空间初始参数集
Figure 642014DEST_PATH_IMAGE002
对应的粗糙空间参数集
Figure 958201DEST_PATH_IMAGE005
，该过程称为参量抽取；
3c）定义粗糙模型参量抽取值
Figure 236736DEST_PATH_IMAGE005
与最优值
Figure 119241DEST_PATH_IMAGE001
的误差向量
Figure 284774DEST_PATH_IMAGE006
；
3d）定义误差向量和精确模型参量增量
Figure 727574DEST_PATH_IMAGE008
之间的映射关系的雅克比矩阵
Figure 961241DEST_PATH_IMAGE009
的初始值为单位矩阵，将映射关系记为：，计算出第2次电磁全波仿真的精确空间参数集；
3e）定义第j次误差向量f(j)  和误差参数
Figure 82277DEST_PATH_IMAGE012
,
Figure 179022DEST_PATH_IMAGE012
取值通常小于等于0.0001，验证该映射关系的正确性，如果，说明计算得到的映射关系符合要求，获得精确空间参数集，否则循环重复3b）~3d）步骤，直至误差向量符合表达式，此时映射关系第j次的更新公式为：
Figure 265292DEST_PATH_IMAGE014
该循环过程由系统自动控制，无需人工干预。
本发明的优点和积极效果：
（1）本发明由于应用了空间映射算法，建立了电磁模型（精确模型）和电路模型（粗糙模型）的关系，节省了时间，提高了效率。粗糙模型用基于电路CAD工具建立，其特点是运算速度快，用解析法进行优化容易收敛，但准确性有待验证；精确模型用EM仿真工具建立，耗费时间较长，目的是验证粗糙模型的准确性，将结果反馈以改进粗糙模型。两个模型相结合，比只运用EM工具进行设计节省了大量时间。
（2）本发明运用了Windows命令行接口和Agilent AEL语言接口控制电路仿真软件Advanced Design System的行为，Windows命令行接口和son文件格式分析来控制电磁仿真软件SONNET的行为。实现了在无人看守情况下，进行微波器件的调谐。
（3）本发明可以用于各种微波器件的调谐。
附图说明
图1为方法示意图
图2为本发明的系统流程图。
图3为例子的精确模型。
图4为应用本发明得到的滤波器调谐结果图。
具体实施方式
（1）    用户输入理论设计参数，调用电路仿真软件建立微波器件电路模型，该理论设计参数构成粗糙空间最优参数集；
（2）    用户输入实际设计参数，调用电磁仿真软件建立微波器件电磁模型，该实际设计参数构成精确空间初始参数集；
（3）    程序根据空间映射算法建立粗糙空间参数集与精确空间参数集的映射关系，并经过若干次优化，直至获得精确空间最优参数集。
步骤（3）所述的“根据空间映射算法建立粗糙空间参数集与精确空间参数集的映射关系”，按如下过程进行：
a） 以微波滤波器为例，根据用户输入的实际设计参数，即精确空间初始参数集
Figure 840761DEST_PATH_IMAGE002
，进行第1次电磁全波仿真，得到滤波器传输函数
Figure 84661DEST_PATH_IMAGE003
和反射参数；
b）将
Figure 252785DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 818896DEST_PATH_IMAGE004
作为电路模型优化目标函数，运用随机法和梯度法进行优化，得到精确空间初始参数集
Figure 917302DEST_PATH_IMAGE002
对应的粗糙空间参数集
Figure 356505DEST_PATH_IMAGE005
，该过程称为参量抽取；
c） 定义粗糙模型参量抽取值
Figure 743624DEST_PATH_IMAGE005
与最优值
Figure 910163DEST_PATH_IMAGE001
的误差向量；
d）定义粗糙模型误差向量和精确模型参量增量
Figure 282348DEST_PATH_IMAGE008
之间的映射关系的雅克比矩阵的初始值为单位矩阵，将映射关系记为：，计算出第2次电磁全波仿真的精确空间参数集
Figure 309844DEST_PATH_IMAGE011
；
e） 验证该映射关系的正确性，如果
Figure 468293DEST_PATH_IMAGE013
，说明计算得到的映射关系符合要求，获得精确空间最优参数集，否则循环重复b）~d）步骤，直至误差向量符合表达式
Figure 914317DEST_PATH_IMAGE013
，此时映射关系第j次的更新公式为：
Figure 858134DEST_PATH_IMAGE014
该循环过程由系统自动控制，无需人工干预。
 
步骤e）所述的“该循环过程由系统自动控制”，按如下过程进行：
（） 在所述系统中运用Windows命令行接口和Agilent AEL语言接口控制电路仿真软件Advanced Design System的行为，包括如下操作：新建工程，更新电路模型参数，启动优化进程，输出优化结果，出错自纠正；
（
Figure 642736DEST_PATH_IMAGE016
）在所述系统中运用Windows命令行接口和son文件格式分析来控制电磁仿真软件SONNET的行为，包括如下操作：修改电磁模型参数，启动仿真进程，输出DXF文件，出错自纠正；
（
Figure 705501DEST_PATH_IMAGE017
） 在所述系统中调用Windows API建立人机界面，包括如下功能模块： 
Figure 753092DEST_PATH_IMAGE018
 新建工程，进入软件，点击日期，则会以当时的时间为文件名建立文件。选择第一次仿真的版图文件.son文件及.s2p文件、电磁及电路主程序的路径。
Figure 896407DEST_PATH_IMAGE019
导入工程，可以导入以前建立的工程。
Figure 967131DEST_PATH_IMAGE020
确定电磁仿真参数，即精确空间参数集，以滤波器为例，确定耦合矩阵的大小及与耦合矩阵直接相关的谐振器的长度变量等；确定电路仿真参数，即粗糙空间参数集，以滤波器为例，确定中心频率、带宽、相对带宽，电路上下限仿真频率、端口阻抗，外部Q值。
Figure 82855DEST_PATH_IMAGE021
运行日志记录，在软件人机界面实时显示电磁、电路软件运行情况，及各个参量的改变情况。
Figure 735684DEST_PATH_IMAGE022
运行情况监视，所有得到的输出响应都可以在人机截面中观察到。
Figure 278661DEST_PATH_IMAGE023
软件根据电磁、电路仿真结果，更新模型参数，直至达到满意的优化仿真结果。
Figure 384152DEST_PATH_IMAGE024
附有软件使用说明。
以滤波器设计为例
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的和功效易于理解和明白，下面结合具体图示进一步阐明本发明。如图2所示，
第一步，进入软件，点击页面上的日历控件，点击当天日期，即可新建以日期命名的文件。
输入电路软件ADS和电磁软件SONNET的主程序路径，输入电路模型目标参数值，导入电磁模型初始设计文件.SON、.s2p及参数。
第二步，启动该软件，软件自动通过Windows命令行启动SONNET仿真，并导出精确空间仿真结果。调用ADS的AEL语言接口运行电路软件进行粗糙空间的参数提取。
第三步，计算粗糙模型参量抽取值与精确空间参数集之间的误差，如果误差足够小则调谐完成；否则就更新映射关系，计算新的电磁模型参数进行电磁仿真，直至粗糙模型参量抽取值与精确空间参数集之间的误差误差足够小为止。
以6阶交叉耦合滤波器为例，精确模型见图3。
精确模型参数集：
Figure 241249DEST_PATH_IMAGE025
粗糙模型参数集：
精确模型参数表示滤波器尺寸，粗糙模型参数表示耦合矩阵元素，映射关系：
Figure 462463DEST_PATH_IMAGE027
经过4次迭代，迭代过程中粗糙空间参数见表1，精确空间参数，即滤波器实际尺寸见表2，图4描述每次迭代得到的响应曲线，可以看到，经过4次迭代之后，滤波器的响应曲线已经非常接近理论设计值，证明了此方法的高效率。
上述实验结果表明，采用本发明可以比较快速、准确的，并且在无人看守的情况下，完成滤波器的调谐。
 
表1 粗糙空间参数集
Figure 570096DEST_PATH_IMAGE028
表2 精确空间参数集
Figure 775425DEST_PATH_IMAGE029

Claims (3)

1.基于空间映射算法的微波器件计算机自动辅助调谐的设计方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
1） 调用电路仿真程序，根据理论设计参数，建立微波器件电路模型，即粗糙空间，该理论设计参数构成粗糙空间最优参数集                                                
Figure 863220DEST_PATH_IMAGE001
；
2） 调用电磁仿真程序，根据实际设计参数，建立微波器件电磁模型，即精确空间，该实际设计参数构成精确空间初始参数集
Figure 784819DEST_PATH_IMAGE002
；
3） 根据空间映射算法建立粗糙空间参数集与精确空间参数集的映射关系，并进行优化，直至参数误差小于等于0.001时获得精确空间参数集，从而得到决定微波器件性能的理想的设计参数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤3）所述“空间映射算法”，其定义如下：
2a) 一个设计可以用一个粗糙模型和一个精确模型来表示，它们的模型设计参量分别称作粗糙空间和精确空间，粗糙模型用基于电路CAD工具建立，其特点是运算速度快，用解析法进行优化容易收敛，但准确性有待验证；精确模型用EM仿真工具建立，耗费时间较长，目的是验证粗糙模型的准确性，将结果反馈以改进粗糙模型；两个模型相结合，比只运用EM工具进行设计节省了大量时间。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于步骤3）所述的“根据空间映射算法建立粗糙空间参数集与精确空间参数集的映射关系”，按如下过程进行：
3a）将步骤2）根据实际设计参数构成的精确空间初始参数集
Figure 114169DEST_PATH_IMAGE002
，进行第1次电磁全波仿真，得到传输函数
Figure 47490DEST_PATH_IMAGE003
和反射参数
Figure 529418DEST_PATH_IMAGE004
；
3b）将步骤3a）得到的和
Figure 339428DEST_PATH_IMAGE004
作为电路模型优化目标函数，运用随机法和梯度法进行优化，得到精确空间初始参数集
Figure 155068DEST_PATH_IMAGE002
对应的粗糙空间参数集
Figure 740770DEST_PATH_IMAGE005
，该过程称为参量抽取；
3c）定义粗糙模型参量抽取值
Figure 718085DEST_PATH_IMAGE005
与最优值
Figure 22027DEST_PATH_IMAGE001
的误差向量；
3d）定义误差向量
Figure 750741DEST_PATH_IMAGE007
和精确模型参量增量
Figure 413804DEST_PATH_IMAGE008
之间的映射关系的雅克比矩阵的初始值为单位矩阵，将映射关系记为：
Figure 96906DEST_PATH_IMAGE010
，计算出第2次电磁全波仿真的精确空间参数集；
3e）定义第j次误差向量f(j)   和误差参数
Figure 976317DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 5584DEST_PATH_IMAGE012
取值通常小于等于0.0001，验证该映射关系的正确性，如果
Figure 950407DEST_PATH_IMAGE013
，说明计算得到的映射关系符合要求，获得精确空间参数集，否则循环重复3b）~3d）步骤，直至误差向量符合表达式
Figure 302890DEST_PATH_IMAGE013
，此时映射关系第j次的更新公式为：
Figure 789979DEST_PATH_IMAGE014
该循环过程由系统自动控制，无需人工干预。
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