《HFSS电磁仿真设计从入门到精通》一2.3 T形波导的优化分析

本节书摘来自异步社区《HFSS电磁仿真设计从入门到精通》一书中的第2章，第2.3节，作者 易迪拓培训 , 李明洋 , 刘敏，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看

2.3 T形波导的优化分析

HFSS电磁仿真设计从入门到精通
这一节主要讲解HFSS参数扫描分析和优化设计的使用。利用参数扫描分析功能。分析在工作频率为10GHz时，T形波导3个端口的信号能量大小随着隔片位置变量Offset的变化关系。利用HFSS的优化设计功能，找出隔片的准确位置，使得在10GHz工作频点，T形波导端口3的输出功率是端口2输出功率的两倍。

2.3.1 新建一个优化设计工程

（1）从主菜单栏选择【File】→【Open】，或者直接单击工具栏的图片 71按钮，打开上一节所保存的工程文件Tee.hfss；然后从主菜单栏选择【File】→【Save As】，把工程文件另存为OptimTee.hfss。

（2）因为本节只在10GHz频点上进行参数扫描分析和优化设计，所以首先需要删除在上一节中添加的扫频设置项。展开工程树下的Analysis节点，再展开Analysis节点下的Setup1项，选中Sweep1项，然后单击工具栏的图片 72按钮，删除扫频设置。

2.3.2 参数扫描分析设置和仿真分析

使用HFSS Optimetrics模块的参数扫描分析功能，分析T形波导端口的输出功率和隔片位置之间的关系。

1．添加参数扫描分析项
右键单击工程树下的Optimetrics节点，从弹出菜单中选择【Add 】→【Parametric】命令，打开Setup Sweep Analysis对话框；单击该对话框中的图片 73按钮，打开Add/Edit Sweep对话框，如图2.41所示。在该对话框中，Variable项选择变量Offset，扫描方式选择LinearStep单选按钮，Start、Stop和Step项分别输入0、1、0.1，单位为英寸（in），然后单击图片 74按钮；上述操作完成后，单击图片 75按钮，关闭Add/Edit Sweep对话框，添加变量Offset为扫描变量。

2．定义输出变量
定义3个输出变量Power11、Power21和Power31，分别代表端口1、端口2和端口3的输入/输出功率。选择Setup Sweep Analysis对话框的Calculations选项卡，单击图片 77（Setup Calculations）按钮，打开Add/Edit Calculation对话框，保持该对话框默认设置不变，单击图片 78按钮，打开Output Variables对话框，定义和添加输出变量，上述操作过程如图2.42所示。

首先定义输出变量Power11。具体操作步骤如下。

（1）在图2.42所示Output Variables对话框的Name栏文本框中输入Power11，在Category栏下拉列表中选择S Parameter，在Quantity栏选择S(Port1, Port1)，在Function栏选择mag，然后单击图片 79按钮；

（2）此时即在Expression栏文本框中添加了mag(S(Port1, Port1))表达式；然后，在该表达式末尾输入乘号“”，再次单击图片 80按钮，则Expression栏的表达式显示为mag(S(Port1, Port1)) mag(S(Port1, Port1))；

（3）最后，单击图片 81按钮，即在对话框的顶部添加了输出变量Power11及其表达式。

重复上述步骤，分别定义输出变量Power21和Power31。其中，Power21的表达式为mag(S(Port2, Port1)) mag(S(Port2, Port1))，Power31的表达式为mag(S(Port3, Port1)) mag(S(Port3, Port1))，完成后的结果如图2.43所示。

此时，单击图片 83按钮，回到Add/Edit Calculation对话框。在Add/Edit Calculation对话框的Category栏选择Output Variables，则在Quantity栏会列出前面所定义的输出变量Power11、Power21和Power31。分别选中Power11，然后单击图片 84按钮；选中Power21，然后单击图片 85按钮；选中Power31，然后单击图片 86按钮；添加上述3个输出变量到Setup Sweep Analysis对话框的Calculations选项卡界面，如图2.44所示。最后，单击Add/Edit Calculation对话框的图片 87按钮返回Setup Sweep Analysis对话框，再单击图片 88按钮，完成整个参数扫描分析设置。新定义的参数扫描分析项会自动添加到工程树的Optimetrics节点下，其默认名称为ParametricSetup1。

3．运行参数扫描分析
上面的工作完成后，单击工具栏的图片 91按钮，进行设计检查。检查没有错误后，就可以运行仿真计算了。

右键单击工程树Optimetrics节点下的ParametricSetup1项，从弹出菜单中选择【Analyze】命令，运行参数扫描分析。

参数扫描分析过程中，工作界面右下角的进程窗口会显示分析进度。分析完成后，进程窗口进度条会消失，并在信息管理窗口会给出完成提示信息。

2.3.3 查看参数扫描分析结果

1．创建功率分配随变量Offset变化的关系图
（1）右键单击工程树中的Results项，从弹出菜单中选择【Create Modal Solution Data Report】→【Rectangular Plot】，打开如图2.45所示的报告设置对话框。

（2）在该对话框中，X项选择Offset；Category栏选择Output Variables，Quantity栏通过按下Ctrl键同时选择Power11、Power21和Power31三项，Function栏选择none。

（3）单击图片 93按钮，绘制出输出变量Power11、Power21、Power31与变量Offset的关系曲线报告，如图2.46所示。

同时，该结果报告会自动添加到工程树的Results节点下，其默认名称为XY Plot 1。单击报告设置对话框的图片 94按钮，关闭该对话框。

从图2.46所示的结果报告中可以看出，当变量Offset值逐渐变大，即隔片位置向端口2移动时，端口2的输出功率逐渐减小，端口3的输出功率逐渐变大；当隔片位置变量Offset超过0.3英寸时，端口1的反射明显增大，端口3的输出功率开始减小。因此，在后面的优化设计中，可以设置变量Offset优化范围的最大值为0.3英寸。同时，从图2.45还可以看出，在offset=0.1英寸时，端口3的输出功率约为0.65，端口2的输出功率略大于0.3，此处端口3的输出功率约为端口2输出功率的两倍。因此，在优化设计时，可以设置变量Offset的优化初始值为0.1英寸。另外，变量Offset优化范围的最小值可以取0英寸。

Stnd001注意

在优化设计中，选择适当的优化范围，可以极大地减少运算量，节约计算时间。

2.3.4 优化设计

添加优化设计项，进行优化设计，找出隔片的准确位置，使得端口3的输出功率是端口2输出功率的两倍。

（1）添加优化变量。从主菜单栏选择【HFSS】→【Design Properties】，打开设计属性对话框，选中对话框上方的Optimization单选按钮，在变量Offset栏勾选Include项，如图2.47所示，然后单击图片 97按钮完成设置。

（2）右键单击工程树下的Optimetrics节点，在弹出菜单中选择【Add】→【Optimization】命令，打开优化设置对话框。在该对话框的Goals选项卡界面，优化器Optimizer栏选择Quasi Newton，Max. No. of Iterations栏保持默认的1000不变。

（3）添加目标函数（Cost Function）。这里优化设计要达到目标是：当工作频率为10GHz时，端口3的输出功率是端口2输出功率的两倍；使用前面定义的输出变量，可以设置目标函数为Power31－2*Power21 = 0。

在优化设置对话框的Goals选项卡界面，单击对话框左下角的图片 99按钮，在弹出对话框中首先单击图片 100按钮，然后单击图片 101按钮，即可在Cost Function表中添加了新的一栏。在Calculation列输入目标函数的表达式Power31－2*Power21，按回车键确认，Condition项选择“=”，Goal列输入0，Weight列输入1。Acceptable项输入0.001，表示目标函数的值小于或者等于设定的0.0001时，达到优化目标，停止优化分析。Noise项分别保持默认0.0001不变。设置完成后的对话框界面如图2.48所示。

（4）设置优化变量的取值范围。选择Variables选项卡，当前设计中只定义了Offset一个变量，在Override列勾选变量Offset对应的复选框，在Starting Value列输入0.1，勾选Include列下面的复选框，分别在Min和Max列输入0和0.3，设定变量Offset的优化范围为0～0.3英寸。完成后的界面如图2.49所示。

（5）优化设置完成后，优化设置项会自动添加到工程树的Optimetrics节点下，其默认名称为OptimizationSetup1。

（6）运行优化分析。右键单击工程树Optimetrics节点下的OptimizationSetup1，从弹出菜单中选择【Analyze】命令，运行优化分析，整个优化过程需要持续几分钟的时间。

2.3.5 查看优化结果

在HFSS优化分析过程中，可以实时显示每一次迭代计算的变量值和目标函数值，观察目标函数是否收敛以及何时达到优化目标。查看每一次迭代计算对应的变量值和目标函数值的步骤如下。

右键单击工程树OptimizationSetup1项，从弹出菜单中选择【View Analysis Result】命令，打开Post Analysis Display对话框。在该对话框中，单击Table单选按钮，以数值列表形式显示优化计算的迭代次数，每次迭代的变量值和目标函数值，如图2.50所示。

优化分析完成后，在Table列表里会列出变量Offset优化后的最佳值。本例中，从图2.50所示的优化结果中可以看出，当变量Offset = 0.96英寸时，目标函数值（Cost）小于设定的目标值0.0001，达到优化目标。即当变量Offset = 0.96英寸时，T形波导端口3的输出功率是端口2输出功率的两倍。最后，单击图片 105按钮，关闭对话框。

2.3.6 保存并退出HFSS