HFSS中的变量和Optimetrics模块的使用

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HFSS中的变量和Optimetrics模块的使用

2023-10-16 11:50| 来源: 网络整理| 查看: 265

变量设置

HFSS作为一款功能强大的三维电磁仿真软件，当然不是进能够提供常规的电磁分析，它还能够提供优化设计、参数扫描分析、灵敏度分析和统计分析等功能，这些功能都继承再HFSS的Optimetrics模块中。HFSS中，要使用Optimetrics模块的这些分析和设计功能，首先需要做的就是定义和添加相关变量

变量的类型工程变量（Project Variables）：

Project>>Project Variables可以打开工程变量编辑对话框

设计变量/本地变量（Local Variables）：

HFSS>>Design Variables可以打开设计变量编辑对话框

物体模型尺寸、物体的材料属性等都可以使用变量来表示

工程变量和设计变量的区别在于：工程变量前面有一个“$"前缀，以和本地变量区分；工程变量的作用区间是整个Project，本地变量作用区间是所在的Design。

变量的定义变量名：

变量名可以由数字、字母或下划线“_"组成

HFSS中默认的常数、默认的数学函数不能作为变量名

直角坐标系坐标轴的名称X、Y、Z，圆柱坐标系和球坐标系的名称Phi、Theta、R（圆柱坐标系）、Rho（球坐标系）也不能作为变量名

HFSS中默认的常数和函数有：

图1 HFSS中默认常数

图2 HFSS中默认函数名

变量值：

每个变量在定义时都必须赋一个初始值，变量值可以是数值、数学表达式或者数学函数，也可以是数组、矩阵或者行列式

x_size = 1mm, y_size=x_size+sin(x_size)

对于数值，HFSS支持使用科学计数法，如0.005可以写成5e-3；

对于数学表达式，在使用时需要注意运算符的优先级

图3 HFSS中运算符优先等级

设计如何添加/删除/使用变量添加/删除变量：

Project>>Project Variables或者（[Project Tree]Project>>Project Variables）打开Project Properties对话框，可以添加和删除工程变量

HFSS>>Design Properties或者（[Project Tree]Design>>Design Properties）打开Design Properties对话框，可以添加和删除工程变量

在设计过程中，也可以直接输入未定义的变量代替设计参数，输入未定义的变量后，HFSS会自动弹出添加变量对话框

使用变量：在HFSS中，几乎所有的设计参数都可以使用变量来表示，例如物体模型的尺寸、物体的材料属性、边界条件相关参数等。对于已定义的变量，可以直接使用变量或者包含变量的表达式来表示设计参数。对于未定义的变量，HFSS会自动弹出添加变量对话框。注意：对于材料属性参数，只能使用工程变量。每个变量在定义时都不洗赋一个初始值，如果赋给变量的初始值已经指定了单位，在使用该变量时就不需要重新指定单位。由于参数扫描、优化设计、调谐分析和灵敏度分析等不支持复数，所有对于值为复数的变量，不能用于上述分析。参数扫描分析优化设计 Optimetrics功能简介：

Optimetrics是集成在HFSS中的设计优化模块，该模块通过自动分析设计参数的变化对求解结果的影响，HFSS中Optimetrics模块能提供如下分析设计功能。

参数扫描功能（Parametric）：

参数扫描分析功能可以用来分析物体的性能随着指定变量的变化而变化的关系，在优化设计前一半使用参数扫描分析功能来确定被优化变量的合理变化区间。

参数扫描的步骤：设置首先需要定义变量并添加求解设置项HFSS>>Optimetrics Analysis>>Add Parametric...弹出Setup Sweep Analysis对话框，添加扫描变量或者选中Project Manager中的Optimatrics，单击右键Add>>Parametric，弹出Setup Sweep Analysis对话框，添加扫描变量设置好扫描变量之后，点击”Analysis“就可以进行参数扫描分析查看设计分析结果优化设计（Optimatrices）

优化设计是HFSS软件结合Optimetrics模块根据特定的优化算法在所有可能的设计变化中寻找出一个满足设计要求的值的过程。

优化设计是HFSS软件结合Optimetrics模块在一定的约束条件下根据特定的优化算法对设计的某些参数进行调整，从所有可能的设计变化中寻找出一个满足设计要求的值，优化设计时，首先需要明确设计要求或设计目标，然后用户葛奴设计要求创建初始结构模型（Nominal Design），定义设计变量并构造目标函数，最后指定优化算法进行优化。

初始设计：

初始设计或初始结构模型在HFSS中成之为Norminal Design。用户一般根据理论知识和实际经验给出初始设计，创建初始结构模型。初始设计应该尽量接近真实值，否则会导致优化时间过长，有时甚至得不到全局最优解

添加优化变量：

在进行优化设计时，首先需要添加优化变量。打开工程变量/设计变量编辑对话框，单击选择变量编辑对话框中的Optimization单选按钮，此时对话框内会列出当前设计中所定义的全部工程变量或者设计变量，勾选变量对应的Include项复选框，把该变量添加为优化变量；同时在Norminal Value、Min和Max项下的文本框可以输入优化变量的初始值、最小值和最大值。

在优化设计前，一般先进行参数扫描分析，确定优化变量的初始值和合理的变化区间。

构造优化目标：

在优化设计中，为了评价设计结果的好坏以及判断设计是否已经达到要求的目标，必须定义一个判据，软件根据这个判据来决定是否需要继续进行最优搜索，这个判据就成为目标函数。

目标函数需要用户根据具体的设计目标进行构造。例如，设计目标是在10GHz工作频率处，端口3的输出功率时端口2输出功率的两倍，则可以构造目标函数mag(S(port3,port1))*mag(S(port3,port1))-2*mag(S(port2,port1))*mag(S(port2,port1))=0。

目标函数可以在该对话框中定义。对于简单的目标函数。可以在对话框Calculation下的文本框中直接输入构造的目标函数；对于复杂的目标函数，可以先定义输出变量（Output Variables），然后使用定义的输出变量来构造目标函数，例如：Power21=mag(S(port2,port1))*mag(S(port2,port1)),Power31=mag(S(port3,port1))*mag(S(port3,port1)),响应的目标函数可以简化为Power31-2*Power21=0。