專利名稱：基于空間映射算法的微波器件計(jì)算機(jī)自動(dòng)輔助調(diào)諧的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波器件設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微波器件的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化輔助 調(diào)諧的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
電磁仿真是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的過(guò)程，要想推動(dòng)微波技術(shù)的發(fā)展，提高仿真效率是關(guān) 鍵。微波器件的電磁特性規(guī)律非常復(fù)雜，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精 力進(jìn)行調(diào)諧，該過(guò)程目前主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行，對(duì)于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜微波器件的調(diào)諧不具 有確定性和穩(wěn)定性。因此，為了降低微波器件調(diào)諧的難度，盡可能的減少人為因素對(duì)調(diào)諧效 率的影響，有必要研究微波器件的自動(dòng)化調(diào)諧方法。電磁仿真雖然較精準(zhǔn)但耗時(shí)長(zhǎng)，很難迅速得到理想結(jié)果；電路仿真工具精度不高 但速度較快。如果能夠通過(guò)優(yōu)化電路模型而迅速準(zhǔn)確的得到電磁模型的設(shè)計(jì)，那么將會(huì)大 大的節(jié)省設(shè)計(jì)人員的時(shí)間。目前有一些常用的電路/電磁仿真程序提供了協(xié)同仿真接口，例如Ansoft公司的 仿真產(chǎn)品HFSS和Designer可以通過(guò)類VB的腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)相互通信，Agilent公司的系列 產(chǎn)品之間也可以通過(guò)AEL語(yǔ)言接口實(shí)現(xiàn)互通。但是如果想使用不同公司的仿真程序進(jìn)行協(xié) 同仿真，仍然會(huì)遇到接口不統(tǒng)一的問(wèn)題，某些性能優(yōu)越的仿真產(chǎn)品甚至沒有對(duì)外提供接口， 只能完全靠手動(dòng)操作進(jìn)行仿真。在優(yōu)化過(guò)程中很多時(shí)候都是重復(fù)性的操作，如果每次都靠 手動(dòng)操作程序，就不能完全發(fā)揮計(jì)算機(jī)仿真的效率。因此，需要一種新的微波器件輔助自動(dòng)調(diào)諧的設(shè)計(jì)方法，來(lái)解決以上問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于空間映射算法的微波 器件的計(jì)算機(jī)輔助自動(dòng)調(diào)諧的設(shè)計(jì)方法，該方法以空間映射算法為核心，可以在無(wú)人值守 的情況下完成微波器件設(shè)計(jì)后期的調(diào)諧。本發(fā)明提供的基于空間映射算法的微波器件的計(jì)算機(jī)自動(dòng)輔助調(diào)諧的設(shè)計(jì)方法 包括如下步驟
1)調(diào)用電路仿真程序，根據(jù)理論設(shè)計(jì)參數(shù)，建立微波器件電
路模型，即粗糙空間，該理論設(shè)計(jì)參數(shù)構(gòu)成粗糙空間最優(yōu)參數(shù)集 φ
x^ ；
2)調(diào)用電磁仿真程序，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)，建立微波器件電磁模型，即精確空間，該實(shí) 際設(shè)計(jì)參數(shù)構(gòu)成精確空間初始參數(shù)集；
3)根據(jù)空間映射算法建立粗糙空間參數(shù)集與精確空間參數(shù)集的映射關(guān)系，并進(jìn)行優(yōu)化，直至參數(shù)誤差小于等于0. 001時(shí)獲得精確空間參數(shù)集，從而得到?jīng)Q定微波器件性能的 理想的設(shè)計(jì)參數(shù)。以上設(shè)計(jì)中步驟3)所述的“空間映射算法”，其定義如下
2a) 一個(gè)設(shè)計(jì)可以用一個(gè)粗糙模型和一個(gè)精確模型來(lái)表示，它們的模型設(shè)計(jì)參量分別 稱作粗糙空間和精確空間，粗糙模型用基于電路CAD工具建立，其特點(diǎn)是運(yùn)算速度快， 用解 析法進(jìn)行優(yōu)化容易收斂，但準(zhǔn)確性有待驗(yàn)證；精確模型用EM仿真工具建立，耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)， 目的是驗(yàn)證粗糙模型的準(zhǔn)確性，將結(jié)果反饋以改進(jìn)粗糙模型。兩個(gè)模型相結(jié)合，比只運(yùn)用EM 工具進(jìn)行設(shè)計(jì)節(jié)省了大量時(shí)間。以上步驟3)所述的“根據(jù)空間映射算法建立粗糙空間參數(shù)集與精確空間參數(shù)集的 映射關(guān)系”，按如下過(guò)程進(jìn)行
3a)將步驟2)根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)構(gòu)成的精確空間初始參數(shù)集,進(jìn)行第1次電磁全 波仿真，得到傳輸函數(shù)A1和反射參數(shù)S11 ；
3b)將步驟2a)得到的S21和S11作為電路模型優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用隨機(jī)法和梯度法進(jìn) 行優(yōu)化，得到精確空間初始參數(shù)集對(duì)應(yīng)的粗糙空間參數(shù)集,該過(guò)程稱為參量抽??； 3c)定義粗糙模型參量抽取值#與最優(yōu)值 < 的誤差向量/(1) = - χ:； 3d)定義誤差向量/和精確模型參量增量A之間的映射關(guān)系的雅克比矩陣J的初始值 為單位矩陣，將映射關(guān)系記為=-/ ,計(jì)算出第2次電磁全波仿真的精確空間參數(shù)
集孝=41》+# ；
3e)定義第j次誤差向量#力和誤差參數(shù)e，f取值通常小于等于0.0001，驗(yàn)證該 映射關(guān)系的正確性，如果||/〔Λ|— e，說(shuō)明計(jì)算得到的映射關(guān)系符合要求，獲得精確空間參數(shù)
集，否則循環(huán)重復(fù)3b) 3d)步驟，直至誤差向量符合表達(dá)式|/(Λ|< e，此時(shí)映射關(guān)系第j次 的更新公式為
,, μ fD'+i) _ f(J) — vtfi M ,、 β制=β(/> +1^二 r,f h A^
該循環(huán)過(guò)程由系統(tǒng)自動(dòng)控制，無(wú)需人工干預(yù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果
(1)本發(fā)明由于應(yīng)用了空間映射算法，建立了電磁模型(精確模型)和電路模型(粗糙模 型)的關(guān)系，節(jié)省了時(shí)間，提高了效率。粗糙模型用基于電路CAD工具建立，其特點(diǎn)是運(yùn)算速 度快，用解析法進(jìn)行優(yōu)化容易收斂，但準(zhǔn)確性有待驗(yàn)證；精確模型用EM仿真工具建立，耗費(fèi) 時(shí)間較長(zhǎng)，目的是驗(yàn)證粗糙模型的準(zhǔn)確性，將結(jié)果反饋以改進(jìn)粗糙模型。兩個(gè)模型相結(jié)合， 比只運(yùn)用EM工具進(jìn)行設(shè)計(jì)節(jié)省了大量時(shí)間。(2)本發(fā)明運(yùn)用了 Windows命令行接口和Agilent AEL語(yǔ)言接口控制電路仿真軟 件Advanced Design System的行為，Windows命令行接口和son文件格式分析來(lái)控制電磁 仿真軟件SONNET的行為。實(shí)現(xiàn)了在無(wú)人看守情況下，進(jìn)行微波器件的調(diào)諧。
(3)本發(fā)明可以用于各種微波器件的調(diào)諧。


圖1為方法示意圖 圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)流程圖。圖3為例子的精確模型。圖4為應(yīng)用本發(fā)明得到的濾波器調(diào)諧結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式( 1)用戶輸入理論設(shè)計(jì)參數(shù)，調(diào)用電路仿真軟件建立微波器件電路模型，該理論 設(shè)計(jì)參數(shù)構(gòu)成粗糙空間最優(yōu)參數(shù)集；
(2)用戶輸入實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)，調(diào)用電磁仿真軟件建立微波器件電磁模型，該實(shí)際設(shè)計(jì) 參數(shù)構(gòu)成精確空間初始參數(shù)集；
(3)程序根據(jù)空間映射算法建立粗糙空間參數(shù)集與精確空間參數(shù)集的映射關(guān)系，并經(jīng) 過(guò)若干次優(yōu)化，直至獲得精確空間最優(yōu)參數(shù)集。步驟(3)所述的“根據(jù)空間映射算法建立粗糙空間參數(shù)集與精確空間參數(shù)集的映 射關(guān)系”，按如下過(guò)程進(jìn)行
a)以微波濾波器為例，根據(jù)用戶輸入的實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)，即精確空間初始參數(shù)集X，，進(jìn) 行第1次電磁全波仿真，得到濾波器傳輸函數(shù)S21和反射參數(shù)S11 ；
b)將S21和S11作為電路模型優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用隨機(jī)法和梯度法進(jìn)行優(yōu)化，得到精確 空間初始參數(shù)集X’對(duì)應(yīng)的粗糙空間參數(shù)集，該過(guò)程稱為參量抽??；
c)定義粗糙模型參量抽取值與最優(yōu)值<的誤差向量/(1) = Affi-X^ ；
d)定義粗糙模型誤差向量/和精確模型參量增量A之間的映射關(guān)系的雅克比矩陣 的初始值為單位矩陣，將映射關(guān)系記為Ba)hil) = -/(1),計(jì)算出第2次電磁全波仿真的精確 空間參數(shù)集λ^=^ +* ；
e)驗(yàn)證該映射關(guān)系的正確性，如果|/ω|^Ε，說(shuō)明計(jì)算得到的映射關(guān)系符合要求，獲
得精確空間最優(yōu)參數(shù)集，否則循環(huán)重復(fù)b) d)步驟，直至誤差向量符合表達(dá)式||/ωIM ε，此
時(shí)映射關(guān)系第J次的更新公式為
,, ,、 f- fC ')_ Μ } , t = βω + 1^^ f!f h
該循環(huán)過(guò)程由系統(tǒng)自動(dòng)控制，無(wú)需人工干預(yù)。
步驟e)所述的“該循環(huán)過(guò)程由系統(tǒng)自動(dòng)控制”，按如下過(guò)程進(jìn)行
(i)在所述系統(tǒng)中運(yùn)用Windows命令行接口和Agilent AEL語(yǔ)言接口控制電路仿真軟件Advanced Design System的行為，包括如下操作新建工程，更新電路模型參數(shù)，啟動(dòng)優(yōu) 化進(jìn)程，輸出優(yōu)化結(jié)果，出錯(cuò)自糾正；
(ii )在所述系統(tǒng)中運(yùn)用Windows命令行接口和son文件格式分析來(lái)控制電磁仿真軟件 SONNET的行為，包括如下操作修改電磁模型參數(shù)，啟動(dòng)仿真進(jìn)程，輸出DXF文件，出錯(cuò)自糾 正；
(iii)在所述系統(tǒng)中調(diào)用Windows API建立人機(jī)界面，包括如下功能模塊 ①新建工程，進(jìn)入軟件，點(diǎn)擊日期，則會(huì)以當(dāng)時(shí)的時(shí)間為文件名建立文件。選擇第一次 仿真的版圖文件.son文件及.s2p文件、電磁及電路主程序的路徑。②導(dǎo)入工程，可以導(dǎo)入以前建立的工程。③確定電磁仿真參數(shù)，即精確空間參數(shù)集，以濾波器為例，確定耦合矩陣的大小及 與耦合矩陣直接相關(guān)的諧振器的長(zhǎng)度變量等；確定電路仿真參數(shù)，即粗糙空間參數(shù)集，以濾 波器為例，確定中心頻率、帶寬、相對(duì)帶寬，電路上下限仿真頻率、端口阻抗，外部Q值。④運(yùn)行日志記錄，在軟件人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示電磁、電路軟件運(yùn)行情況，及各個(gè)參量 的改變情況。⑤運(yùn)行情況監(jiān)視，所有得到的輸出響應(yīng)都可以在人機(jī)截面中觀察到。⑥軟件根據(jù)電磁、電路仿真結(jié)果，更新模型參數(shù)，直至達(dá)到滿意的優(yōu)化仿真結(jié)果。⑦附有軟件使用說(shuō)明。以濾波器設(shè)計(jì)為例
為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的和功效易于理解和明白，下面結(jié)合 具體圖示進(jìn)一步闡明本發(fā)明。如圖2所示，
第一步，進(jìn)入軟件，點(diǎn)擊頁(yè)面上的日歷控件，點(diǎn)擊當(dāng)天日期，即可新建以日期命名的文件。輸入電路軟件ADS和電磁軟件SONNET的主程序路徑，輸入電路模型目標(biāo)參數(shù)值， 導(dǎo)入電磁模型初始設(shè)計(jì)文件.SON、. s2p及參數(shù)。第二步，啟動(dòng)該軟件，軟件自動(dòng)通過(guò)Windows命令行啟動(dòng)SONNET仿真，并導(dǎo)出精確 空間仿真結(jié)果。調(diào)用ADS的AEL語(yǔ)言接口運(yùn)行電路軟件進(jìn)行粗糙空間的參數(shù)提取。第三步，計(jì)算粗糙模型參量抽取值與精確空間參數(shù)集之間的誤差，如果誤差足夠 小則調(diào)諧完成；否則就更新映射關(guān)系，計(jì)算新的電磁模型參數(shù)進(jìn)行電磁仿真，直至粗糙模型 參量抽取值與精確空間參數(shù)集之間的誤差誤差足夠小為止。以6階交叉耦合濾波器為例，精確模型見圖3。精確模型參數(shù)集
gl g2 g3 ,12 ,23 S34 s25f
粗糙模型參數(shù)集
^ =[β, ^n Μ2-2 ΜΙ3 mU Μ mM Μ25 f
精確模型參數(shù)表示濾波器尺寸，粗糙模型參數(shù)表示耦合矩陣元素，映射關(guān)系
B = diag^dxdldKfij J = 1,2,--.,
經(jīng)過(guò)4次迭代，迭代過(guò)程中粗糙空間參數(shù)見表1，精確空間參數(shù)，即濾波器實(shí)際尺寸見表2，圖4描述每次迭代得到的響應(yīng)曲線，可以看到，經(jīng)過(guò)4次迭代之后，濾波器的響應(yīng)曲線 已經(jīng)非常接近理論設(shè)計(jì)值，證明了此方法的高效率。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本發(fā)明可以比較快速、準(zhǔn)確的，并且在無(wú)人看守的情況 下，完成濾波器的調(diào)諧。
表1粗糙空間參數(shù)集 η & .............A............. I............."h...............J.............h............. I.............-^"o.............. I.............-tfs~ ^u etro r
hit/1 24 36 I 527 1 i 539 I 533 -O 7852 I 0 6019 -0 61220 0920 4 03
234 4 2 I 4<S2 i.472 I 462 4 7778 Cl 5S12 《65130.0919 2 40
32 P 1-521 5 521 I 512 ^DS99i CJ 6004 -0 64820 0903 0-86
429J4 LSI I L520 I 512 ISSZS 0 61010.0S67 0.11 Best .30 15 | IS | t ； [ 4 $m [ 0 59 ! -0 65300 08S3 0
表2精確空間參數(shù)集
η 1 f gl g2 I 523s34 s25
Imtfl 2 J 3 3 U 2^2Ii 7,5
23.5710 2.7500 2.9224 3.9345 1J574 2 21751 4000 7JOtIi
33 1955 2.7 3 2J600 0.5799 2.1762 ！1 3971 8 0107
43.3414 2.T7T3 2 345 2J826 IJ56 2 J727IM54 8.23CW I 5 I 3.37W 2-7691 2. 147 2.96g4 [ L0940 2.20 SS1.3831 8JS70
權(quán)利要求
基于空間映射算法的微波器件計(jì)算機(jī)自動(dòng)輔助調(diào)諧的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述方法包括如下步驟1) 調(diào)用電路仿真程序，根據(jù)理論設(shè)計(jì)參數(shù)，建立微波器件電路模型，即粗糙空間，該理論設(shè)計(jì)參數(shù)構(gòu)成粗糙空間最優(yōu)參數(shù)集；2) 調(diào)用電磁仿真程序，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)，建立微波器件電磁模型，即精確空間，該實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)構(gòu)成精確空間初始參數(shù)集；3) 根據(jù)空間映射算法建立粗糙空間參數(shù)集與精確空間參數(shù)集的映射關(guān)系，并進(jìn)行優(yōu)化，直至參數(shù)誤差小于等于0.001時(shí)獲得精確空間參數(shù)集，從而得到?jīng)Q定微波器件性能的理想的設(shè)計(jì)參數(shù)。863220dest_path_image001.jpg,784819dest_path_image002.jpg
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟3)所述“空間映射算法”，其定義如下 2a) 一個(gè)設(shè)計(jì)可以用一個(gè)粗糙模型和一個(gè)精確模型來(lái)表示，它們的模型設(shè)計(jì)參量分別稱作粗糙空間和精確空間，粗糙模型用基于電路CAD工具建立，其特點(diǎn)是運(yùn)算速度快，用解 析法進(jìn)行優(yōu)化容易收斂，但準(zhǔn)確性有待驗(yàn)證；精確模型用EM仿真工具建立，耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)， 目的是驗(yàn)證粗糙模型的準(zhǔn)確性，將結(jié)果反饋以改進(jìn)粗糙模型；兩個(gè)模型相結(jié)合，比只運(yùn)用 EM工具進(jìn)行設(shè)計(jì)節(jié)省了大量時(shí)間。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟3)所述的“根據(jù)空間映射算法建立粗糙 空間參數(shù)集與精確空間參數(shù)集的映射關(guān)系”，按如下過(guò)程進(jìn)行3a)將步驟2)根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)構(gòu)成的精確空間初始參數(shù)集;,進(jìn)行第1次電磁全 波仿真，得到傳輸函數(shù)S21和反射參數(shù)S11 ；3b)將步驟3a)得到的Sf21和S11作為電路模型優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用隨機(jī)法和梯度法進(jìn) 行優(yōu)化，得到精確空間初始參數(shù)集if對(duì)應(yīng)的粗糙空間參數(shù)集,該過(guò)程稱為參量抽取； 3c)定義粗糙模型參量抽取值#與最優(yōu)值 < 的誤差向量/(1) = xf} - χ；； 3d)定義誤差向量/和精確模型參量增量A之間的映射關(guān)系的雅克比矩陣5的初始值 為單位矩陣，將映射關(guān)系記為#1〉Α(1) =-/ω,計(jì)算出第2次電磁全波仿真的精確空間參數(shù)3e)定義第j次誤差向量和誤差參數(shù)e , e取值通常小于等于0. 0001，驗(yàn)證該映射關(guān) 系的正確性，如果已，說(shuō)明計(jì)算得到的映射關(guān)系符合要求，獲得精確空間參數(shù)集，否則循環(huán)重復(fù)3br3d)步驟，直至誤差向量符合表達(dá)式||/ω||< ε ,此時(shí)映射關(guān)系第j次的更新公式為一WW^ k該循環(huán)過(guò)程由系統(tǒng)自動(dòng)控制，無(wú)需人工干預(yù)。
全文摘要
基于空間映射算法的微波器件計(jì)算機(jī)自動(dòng)輔助調(diào)諧的設(shè)計(jì)方法，可以準(zhǔn)確高效的自動(dòng)調(diào)諧微波器件。該方法調(diào)用電磁仿真程序建立微波器件的電磁模型，調(diào)用電路仿真程序建立微波器件的電路模型，將電磁模型參數(shù)集視為精確空間，將電路模型參數(shù)集視為粗糙空間，通過(guò)空間映射算法分析兩個(gè)空間的映射關(guān)系，將已知的粗糙空間最優(yōu)參數(shù)集映射為精確空間參數(shù)集，通過(guò)驗(yàn)證精確空間參數(shù)集的準(zhǔn)確程度，對(duì)空間映射關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)多次調(diào)整最終獲得精確空間最優(yōu)參數(shù)集。在實(shí)現(xiàn)核心算法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行人機(jī)功能擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)模型更新、數(shù)據(jù)更新、操作日志等一系列自動(dòng)化行為。本發(fā)明能夠使費(fèi)時(shí)費(fèi)力的微波器件調(diào)諧得到很好的改進(jìn)，可用于無(wú)人值守的輔助自動(dòng)調(diào)諧微波器件。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101976294SQ20101054853
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月18日
發(fā)明者劉曉城, 左旭, 李揚(yáng), 白潔, 閉萬(wàn)毅, 龔盈穎 申請(qǐng)人:南開大學(xué)